(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の半導体基板を使用して材料の自立厚みを製作するための方法であって、
表面領域および厚みを有する半導体基板を準備するステップと、
前記半導体基板の前記表面領域を、線形加速器を使用して発生された第１の複数の高エネルギー粒子に曝露して劈開領域内に複数のゲッターリング部位の領域を形成するステップであって、前記劈開領域は分離されるべき材料の厚みを画定するために前記表面領域の下に提供され、前記半導体基板は第１の温度に維持されているステップと、
前記半導体基板を処理プロセスに供するステップと、
前記半導体基板の前記表面領域を、前記線形加速器を使用して発生された第２の複数の高エネルギー粒子に曝露するステップであって、前記第２の複数の高エネルギー粒子は、前記劈開領域の応力レベルを第１の応力レベルから第２の応力レベルへと上昇させるために提供され、前記半導体基板は第１の温度よりも高い第２の温度に維持されているステップと、
劈開プロセスを使用して前記分離されるべき材料の厚みを切り離すステップであって、前記半導体基板の残りの部分とは反対側にある、切り離される前記材料の表面を、前記劈開プロセスの間に支持部材に結合させないステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記分離されるべき材料の厚みが自立的である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記半導体基板が単結晶シリコンまたは多結晶シリコンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の複数の高エネルギー粒子または前記第２の複数の高エネルギー粒子が水素種またはヘリウム種を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記水素種が１ｃｍ２あたり２×１０１６以下の線量で提供される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記線形加速器が高周波四重極（ＲＦＱ）を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１の複数の高エネルギー粒子が０．５ＭｅＶ〜１２ＭｅＶの範囲のエネルギーで提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記処理プロセスが、微視的な欠陥領域を前記劈開領域に近づけかつ前記微視的な欠陥領域を安定化するために、４００℃以上の温度で提供される熱プロセスである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の温度が２５０℃未満であり、かつ前記第２の温度が２５０℃超かつ５５０℃以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記分離されるべき材料の厚みが５０−１００μｍの厚みを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の複数の高エネルギー粒子および前記第２の複数の高エネルギー粒子が、前記半導体基板の前記表面領域上の直径５００ｍｍの寸法を有する拡大されたビームとして前記線形加速器から提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
層転写された材料の自立厚みを形成するための方法であって、
表面領域を有する結晶性基板材料を準備するステップと、
第１の線量範囲にありかつ第１の温度範囲内にある複数の第１の粒子を、前記結晶性基板材料の蓄積領域に導入し、前記結晶性基板材料の前記表面領域を通って前記蓄積領域までの、ピーク濃度を有する注入プロファイルと、基部を形成することで、前記蓄積領域を形成するステップであって、前記第１の線量範囲は、前記複数の第１の粒子が前記蓄積領域で前記結晶性基板材料中に永久に配されるようにするのに十分な量未満であり、前記複数の第１の粒子は、前記蓄積領域において前記結晶性基板材料の複数の欠陥を引き起こし、前記蓄積領域が、前記表面領域の下２０ミクロンを超える深さと、前記蓄積領域と前記表面領域との間で分離されるべき結晶性基板材料のスライスによって画定されるステップと、
処理プロセスを前記結晶性基板材料上で実施して、前記蓄積領域において前記第１の粒子から前記結晶性基板材料中にクエンチされた、複数の永久欠陥の形成を引き起こすステップと、
第２の線量範囲および前記第１の温度範囲よりも高い第２の温度範囲にある複数の第２の粒子を前記蓄積領域に導入して、前記蓄積領域中の内部応力を増加させ、前記蓄積領域の一部分を劈開可能にするステップと、
結晶性基板材料の自立厚みを、前記結晶性基板材料の厚みを前記結晶性基板材料の残りの部分から分離することにより形成するステップであって、前記結晶性基板材料の残りの部分とは反対側にある前記結晶性基板材料の自立厚みの表面を、劈開の間に支持部材から分離させるステップと
を含む方法。
【請求項１３】
前記結晶性基板材料が単結晶シリコンまたは多結晶シリコンである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の線量範囲が２×１０１５〜２×１０１６ｃｍ−２である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記結晶性基板材料が−５０〜＋２５０℃の範囲の温度に維持されつつ、前記複数の第１の粒子が導入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の第１の粒子が水素を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記基部が２Ｒｐ以下の幅を有する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
半導体材料の自立層を形成するための方法であって、
表面を有するバルク半導体材料を準備するステップと、
０．５−１２ＭｅＶのエネルギーの線形加速器によって出力された第１の複数の粒子を、前記表面を貫いてかつ前記バルク半導体材料の中へと注入して、複数のゲッターリング部位を含む劈開領域を形成するステップであって、前記劈開領域と前記表面との間の距離が分離されるべき半導体材料の厚みを画定し、このとき前記バルク半導体材料を第１の温度に維持するステップと、
第２の複数の高エネルギー粒子を前記劈開領域に注入し、このとき前記バルク半導体材料を第１の温度よりも高い第２の温度に維持するステップと、
制御された劈開プロセスを用いて前記分離されるべき半導体材料の厚みを切り離すステップであって、前記バルク半導体材料の残りの部分とは反対側にある、切り離される前記半導体材料の表面を、前記劈開プロセスの間に支持部材から分離させるステップと
を含む方法。
【請求項１９】
前記注入するステップが、前記劈開領域を局所的に作り出すためのパターンで実施され、かつ前記制御された劈開プロセスが前記局所的な劈開領域で開始され、次いで前記バルク半導体材料にわたって伝搬される、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記注入するステップが、前記第１の複数の粒子のビームの滞留時間を制御することにより実施される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記注入するステップが、前記劈開領域を前記第１の複数の粒子のビームに曝露する回数を制御することにより実施される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記制御された劈開プロセスが、前記バルク半導体材料に物理的応力を付与することによって開始される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
前記物理的応力が、前記バルク半導体材料の熱状態を変えることにより、前記バルク半導体材料と衝突することにより、または前記バルク半導体材料が結合されているエレメントの形状を変えることにより前記バルク半導体材料に付与される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
複数の自立層をバルク半導体材料からスライスするための方法であって、
請求項１８に記載の方法を繰り返して、複数の前記自立層を前記バルク半導体材料から繰り返し形成するステップであって、複数の前記自立層の各々が２０ミクロン超〜１５０ミクロン未満の厚みを有するステップと、
前記バルク半導体材料の重量の７０％超を複数の前記自立層のために使用するステップと
を含む方法。
【請求項２５】
前記バルク半導体材料が、単結晶シリコンのインゴットまたは多結晶シリコンのタイル状薄片として準備される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の複数の粒子または前記第２の複数の高エネルギー粒子が、水素種またはヘリウム種を含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
さらに、前記バルク半導体材料の未使用の一部分を戻して、バルク形態の前記材料の第２の量を作り出すステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
バルク半導体材料から複数の自立層を効率よく分離するための方法であって、
請求項１８に記載の方法を繰り返して、複数の前記自立層を前記バルク半導体材料から繰り返し形成するステップであって、前記自立層の各々が２０ミクロン以上の厚みを有し、その結果、効率＝（自立層の総重量）／（消費されたバルク半導体材料の重量）×１００とした場合に、８０％以上の効率が実現されるステップを含む、方法。
【請求項２９】
前記バルク半導体材料が、単結晶シリコンのインゴットまた多結晶シリコンのタイル状薄片として準備される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の複数の粒子および前記第２の複数の高エネルギー粒子が０．５−２０ＭｅＶのエネルギーで注入される、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本非仮特許出願は、以下の仮特許出願、２００６年１１月６日出願の米国仮特許出願第６０／８６４，５８４号、および２００７年１月２６日出願の米国仮特許出願第６０／８８６，８２７号に基づく優先権を主張する。これらの各々を、すべての目的のために参照により本願明細書に援用する。
【０００２】
本発明は、概して、層転写（ｌａｙｅｒ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）技法を用いて基板を形成するための方法および構造体を包含する技法に関する。より具体的には、本発明の方法およびシステムは、光電池を含めた種々の用途のための自立半導体厚膜の製造のための線形加速器プロセスを使用する方法およびシステムを提供する。しかし、本発明はもっと広い範囲の適用可能性を有することは認識されるであろう。本発明はまた、集積型半導体デバイスの三次元実装、フォトニックデバイスもしくは光電子工学的デバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）、ナノテクノロジー構造体、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学および生物医学装置などの他の種類の用途にも適用できる。
【０００３】
本発明に係る別の実施形態は、概して、単結晶シリコンインゴットなどのバルク形態の材料から自立膜を劈開するための方法および装置を包含する技法に関する。かかる自立膜は、太陽電池などの光起電性材料として有用である。しかし、本発明の実施形態はもっと広い範囲の適用可能性を有することは認識されるであろう。本発明はまた、集積型半導体デバイスの三次元実装、フォトニックデバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）、ナノテクノロジー構造体、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学および生物医学装置など他の種類の用途にも適用できる。
【背景技術】
【０００４】
最初から、人類は「太陽」に依存してほとんどすべての有用な形のエネルギーを得てきた。かかるエネルギーは、石油、放射、木材、および様々な形の熱エネルギーから得られる。単なる例として、人類は、その要求量の多くのものを、石炭およびガスなどの石油供給源にかなりの程度依存してきた。残念ながら、かかる石油資源は枯渇し、他の問題を導いた。代替物として、一部では、太陽エネルギーが人類の石油資源への依存性を減少させると提唱されてきた。単なる例として、太陽エネルギーは、通常はシリコンから製造される「太陽電池」から得ることができる。
【０００５】
このシリコン太陽電池は、太陽からの太陽放射に曝露されたときに電力を発生する。この放射線は、シリコンの原子と相互作用して電子および正孔を形成し、これらはシリコン本体の中のｐ−ドーピングされた領域およびｎ−ドーピングされた領域に移動し、ドーピングされた領域間に電位差および電流を作り出す。用途によっては、太陽電池は、効率を改善するために集光素子と一体化されてきた。一例として、太陽放射は、蓄積され、かかる放射を活性な光起電性材料の１つ以上の部分に方向づける集光素子を使用して集光される。効果的ではあるが、これらの太陽電池は依然として多くの限界を有する。
【０００６】
単なる例として、太陽電池は、シリコンなどの出発原料に依存する。かかるシリコンは、しばしば、ポリシリコン（すなわち多結晶シリコン）および／または単結晶シリコン材料のいずれかを使用して製造される。これら材料は、製造するのが困難であることが多い。ポリシリコン電池は、しばしばポリシリコンプレートを製造することにより形成される。これらのプレートは費用効果がよい方法で効果的に形成されてもよいが、それらは非常に効果的な太陽電池にとって最適な特性を有していない。特に、ポリシリコンプレートは、太陽エネルギーを捕集し、その捕集した太陽エネルギーを使用可能な電力に変換する上で可能な最高効率を示さない。
【０００７】
対照的に、単結晶シリコン（ｃ−Ｓｉ）は、高グレードの太陽電池にとって適切な特性を有する。しかしながら、かかる単結晶シリコンは製造するには高価であり、また効率よくかつ費用効果がよい方法で、太陽光を利用する用途で使用することも難しい。
【０００８】
一般に、薄膜太陽電池はより少ないシリコン材料を使用するのであまり高価ではないが、それらのアモルファスまたは多結晶構造は、単結晶シリコン基板から製造されたより高価なバルクシリコン電池よりも効率が悪い。このような限界および他の限界は、本願明細書全体で、より具体的には下記に見出すことができる。
【０００９】
さらに、ポリシリコン材料および単結晶シリコン材料ともに、従来の製造の間の「切りしろ」と呼ばれる材料のロスの問題を抱え、その切断プロセスでは４０％もの多く、最高６０％さえの出発原料が鋳造または成長したブール（ｂｏｕｌｅ）から除去され、その材料がウエハー形状因子へと個別化される。これは太陽電池用途用の薄膜ポリシリコンまたは単結晶シリコンプレートを調製する非常に非効率的な方法である。
【００１０】
特に、太陽電池に組み込むための単結晶シリコン基板を製造するための従来の技法は、典型的には薄膜単結晶シリコン層をもともと成長した単結晶シリコンインゴットから物理的に分離することを含む。かかる従来の製造技法の一例は内周刃ブレード（ＩＤ）切断である。
【００１１】
このＩＤ切断技法は、刃がその内周に付いている丸のこを用いる。インゴットは、所望のウエハー厚みがその鋸の反対側にあるまで、この鋸の中心を通り抜けて押される。鋸が回転しながら、鋸は上げられるかまたは下げられ、刃がインゴットを横切ってスライスすることができる。このＩＤ切断方法は、多くの起こり得る不都合を示す。１つは、この鋸が、切断行為の応力に耐えるに十分強靭であるための最小の厚みを有していなければならないことである。しかしながら、この鋸の厚みに対応するシリコン材料の量（挽き目）はこの裁断によって失われる。インゴットを切断するために信頼性高く使用することができる最も薄い鋸刃を使用してさえ、高価な、純粋な単結晶シリコンを挽き目として失う結果になるかも知れない。例えば、典型的な鋸刃の挽き目は３００μｍの幅を有するが、個々のスライスされたウエハーはただ８００μｍのみの幅を有するかも知れない。従って、従来のウエハー切断技法を使用すると、高価な、純粋な出発原料の切りしろがインゴット全体の６０％もの多さになるという結果になりかねない。従来のＩＤ切断技法の別の不都合は、スライス品が一度に１つずつしか分離することができず、従って処理量が制限され、コストが上昇することである。
【００１２】
切断の処理量の限界に部分的に応じて、ワイヤ切断という代替的な従来の技法が開発された。ワイヤ切断では、素早く動く平行なワイヤのネットワークが準備される。次いでインゴットの側面が、オイルおよび研磨剤を含む環境の中でこの動くワイヤと接触され、ウエハーが同時に複数のウエハーへとスライスされる。ＩＤ切断に対するこの技法の利点としては、ブールの平行な切断およびより中程度の１９０−２５０μｍの切りしろで１８０−２５０μｍのより薄いウエハーを生産することが挙げられる。効果的ではあるが、従来のワイヤ切断も不都合、特にワイヤの厚みに起因するとされる約５０％の依然としてかなりの切りしろ、および基板をオイルおよび研磨剤に曝露することによって起こり得る不純物混入、をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のことから、高品質かつ低コストの適切な基板材料を形成するための技法が非常に所望されることがわかる。太陽電池への組み込みのための単結晶シリコン基板の製造のための費用効果がよくかつ効率よい技法もまた望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の実施形態によれば、層転写技法を用いる基板を形成するための方法および構造体を含む技法が提供される。より具体的には、本発明の方法およびシステムは、光電池を含めた種々の用途のための自立半導体厚膜の製造のための線形加速器プロセスを使用する方法およびシステムを提供する。しかし、本発明はもっと広い範囲の適用可能性を有することは認識されるであろう。本発明はまた、集積型半導体デバイスの三次元実装、フォトニックデバイスもしくは光電子工学的デバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）、ナノテクノロジー構造体、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学および生物医学装置などの他の種類の用途にも適用できる。
【００１５】
具体的な実施形態では、本発明は、１つ以上の半導体基板、例えば、単結晶シリコン、多結晶シリコン、ポリシリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ＩＩＩ／ＩＶ族材料などを使用して材料の自立厚みを製作するための方法を提供する。具体的な実施形態では、本発明の方法は表面領域および厚みを有する半導体基板を準備するステップを含む。この方法は、この半導体基板の表面領域を、線形加速器を使用して発生された第１の複数の高エネルギー粒子に曝露して、劈開領域内に複数のゲッターリング部位の領域を形成するステップであって、この劈開領域は分離されるべき材料の厚みを画定するために上記表面領域の下に提供され、上記半導体基板は第１の温度に維持されているステップを含む。具体的な実施形態では、この方法は、この半導体基板の表面領域を、上記線形加速器を使用して発生された第２の複数の高エネルギー粒子に曝露するステップであって、この第２の複数の高エネルギー粒子は上記劈開領域の応力レベルを第１の応力レベルから第２の応力レベルへと高めるために提供されるステップを含む。好ましい実施形態では、半導体基板は第１の温度より高い第２の温度に維持される。この方法は、劈開プロセス、例えば、制御された劈開プロセスを使用して、分離可能な材料の厚みを切り離す。
【００１６】
別の具体的な実施形態では、本発明は、層転写される材料、例えば、単結晶シリコン、ポリシリコン、多結晶シリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ＩＩＩ／ＩＶ族材料などの自立厚みを形成するための方法を提供する。この方法は、表面領域を有する結晶性基板材料を準備するステップを含む。この方法は、第１の線量範囲にありかつ第１の温度範囲内にある複数の第１の粒子を表面領域を通って結晶性基板材料の蓄積領域に導入し、ピーク濃度を有する注入プロファイルおよびその蓄積領域を形成するための寸法内に空間的に配された基部を形成するステップを含む。具体的な実施形態では、この第１の線量範囲は、複数の粒子が蓄積領域で結晶性基板材料中に永久に配され、劈開領域を形成するのに十分な量未満である。具体的な実施形態では、第１の粒子は、劈開領域における結晶性材料の複数の欠陥を引き起こし、この劈開領域は、表面領域および劈開領域と表面領域との間の分離されるべき結晶性材料のスライスの下約２０ミクロンを超える深さによって画定されることが好ましい。
【００１７】
任意の具体的な実施形態では、この方法は、処理プロセスを結晶性基板材料上で実施して、蓄積領域において第１の粒子から結晶性基板材料中にクエンチされた、複数の実質的な永久欠陥の形成を引き起こすステップを含む。この方法はまた、第２の線量範囲にありかつ第２の温度範囲にある複数の第２の粒子を蓄積領域に導入して、蓄積領域中の内部応力を高めてその蓄積領域の一部分を分離できるようにするステップを含む。具体的な実施形態では、この方法は、結晶性基板材料の残りの部分から結晶性材料の厚みを分離することによって、結晶性材料の自立厚みを形成するステップを含む。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、自立膜は、バルク材料から分離されてよい。一実施形態では、２０ｍ以上の厚みを有する単結晶シリコンなどの半導体材料の自立層は、高エネルギー注入を利用してバルクインゴットから劈開されてよい。一実施形態では、この劈開は、第１の、より低い温度でイオンを注入して劈開領域を作り出すステップと、次いで第２の、より高い温度でイオンを注入してその劈開領域中の応力を高めるステップとを伴う。このようにインゴットを劈開することは、従来の刃裁断プロセスでは挽き目としてさもなければ失われる半導体材料の量を実質的に減少させる。結果としての劈開された自立膜は、太陽エネルギーの捕集での使用に特に適したものであり得る。
【００１９】
本発明に係る複数の自立膜をバルク材料からスライスするための方法の実施形態は、表面領域および約３ｋｇの重量を有するバルク材料を準備するステップと、複数の自立膜をこのバルク材料から繰り返し劈開するステップであって、この複数の自立膜の各々が約２０ミクロン超〜約１５０ミクロン未満の厚みを有するステップと、このバルク材料の重量の約７０％超をこの複数の自立膜のために使用するステップであって、この複数の自立膜は上記バルク材料の約３ｋｇの重量の７０％の重量を実質的に有するステップと、を含む。
【００２０】
本発明の実施形態を使用すれば、既存の技法に対して多くの恩恵が実現される。特に、本発明の実施形態は、層転写技法のための高エネルギー注入プロセスを提供するための費用効果がよい線形加速器デバイスおよび方法を使用する。かかる線形加速器デバイスとしては、ドリフトチューブ技法、高周波四重極（一般にＲＦＱと呼ばれる）、またはこれらの組合せ（例えば、ドリフトチューブＬｉｎａｃまたはＲＦＩ（ＲＦ−収束櫛型）線形加速器と組合せたＲＦＱ）、および他の適切な技法を挙げることができるが、これらに限定されない。好ましい実施形態では、線形加速器は、ドナー基板中の劈開面によって画定される転写可能な材料の厚みを形成する注入プロセスを提供する。この転写可能な材料の厚みは、光起電性デバイス、３Ｄ  ＭＥＭＳもしくは集積回路、ＩＣ実装、半導体デバイス、これらの任意の組合せなどの用途の高品質の半導体材料を提供するために、さらに加工されてもよい。好ましい実施形態では、本発明の方法は、とりわけ、非常に効率よく光電池のための単結晶シリコンを提供する。好ましい実施形態では、本発明の方法および構造体は、低初期線量のエネルギーの大きい粒子を使用し、これによりこのプロセスは費用効果がよく効率的なものとなる。さらに、本発明の方法および構造体は、大面積の基板の製作を可能にする。本発明は、所望の形状因子の薄膜シリコン材料プレート（例えば、ポリシリコンプレートについて、１５ｃｍ×１５ｃｍ〜１ｍ×１ｍを超えるか、またはこれよりも大きい面積サイズを有する５０μｍ−２００μｍの厚み）を作製するために適用できることが見いだされる。別の好ましい実施形態では、本発明に係る実施形態は、ヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層をさらに提供できるシード層を提供してよい。このヘテロ構造エピタキシャルプロセスは、特に、薄い多接合型光電池を形成するために使うことができる。単なる例であるが、本発明の実施形態に係る注入プロセスを使用して形成した転写される層であるゲルマニウムシード層に、ＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ層をヘテロエピタキシャルに堆積することができる。具体的な実施形態では、本発明の方法は、単一のインゴット、例えば、シリコンブールから複数のスライスを劈開するために連続的に適用することができる。つまり、この方法は、具体的な実施形態に従って（焼いたパン塊からパンのスライスを切り出すのと同様に）スライスを連続的に劈開するために繰り返すことができる。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００２１】
上記実施形態に応じて、これらの恩恵の１つ以上が実現され得る。これらの恩恵および他の恩恵は、本願明細書全体で、より具体的には下記に記載され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する単純化したプロセスの流れである。
【図１Ａ】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する単純化したプロセスの流れである。
【図２】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図３】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図４】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図５】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図６】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図７】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図８】本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用して基板を形成する方法を図示する略図である。
【図９】本発明の実施形態に係る半導体材料の複数の自立膜の形成の単純化した概略図を示す図である。
【図１０】本発明の別の実施形態に係る半導体材料の複数の自立膜の形成の単純化した概略図を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る半導体材料の分離可能な自立膜を製造するために荷電粒子ビームを導入するための装置を図示する略図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る複数の高エネルギー荷電粒子を発生する方法を図示する単純化した流れ図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る基板から分離可能な厚膜を形成することの上面図を図示する略図である。
【図１４】荷電粒子を本発明の実施形態に係る半導体材料へと注入する方法を図示する略図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る半導体基板から劈開プロセスによって形成された自立膜を図示する略図である。
【図１６】本発明の実施形態に係る半導体基板から分離可能な厚膜を形成する方法を図示する略図である。
【図１７】本発明に係る注入を実施するための装置の実施形態の要素を図示する単純化した概略図である。
【図１７Ａ】図１７の装置のイオン源および低エネルギービーム輸送部の拡大概略図を示す図である。
【図１７Ｂ】図１７の装置の線形加速器の拡大概略図を示す図である。
【図１７Ｃ】図１７の装置の走査装置の拡大概略図を示す図である。
【図１７Ｄ】本発明の実施形態に係るワークピースの表面にわたる高エネルギーイオンビームの模擬走査のプロットを示す図である。
【図１７Ｅ】本発明の実施形態に係るワークピースの表面にわたる高エネルギーイオンビームの模擬走査のプロットを示す図である。
【図１７Ｆ】本発明の実施形態に係るワークピースの表面にわたる高エネルギーイオンビームの模擬走査のプロットを示す図である。
【図１７Ｇ】本発明の実施形態に係るワークピースの表面にわたる高エネルギーイオンビームの模擬走査のプロットを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態に係る使用のためのコンピュータシステムの概略図である。
【図１８Ａ】図１８のコンピュータシステムの基本的なサブシステムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明の実施形態によれば、基板を形成するための方法を含む技法が提供される。より具体的には、本発明に係る実施形態は、半導体材料から材料の自立層を形成するための方法を提供する。具体的な実施形態では、この材料の自立層は、半導体基板において劈開面の形成を引き起こすための複数の高エネルギー粒子を使用して提供される。本発明に係る方法は、種々の用途で使用することができ、その用途としては、半導体デバイス実装、光電池、ＭＥＭＳデバイスなどが上げられるが、これらに限定されない。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、自立膜は、バルク材料から分離することができる。一実施形態では、２０μｍ以上の厚みを有する半導体材料（単結晶シリコンなど）の自立層は、高エネルギー注入を利用してバルクのインゴットから劈開されてよい。一実施形態では、この劈開は、第１の、より低い温度でイオンを注入して劈開領域を作り出し、次いで第２の、より高い温度でイオンを注入してその劈開領域中の応力を高めることを含む。このようにしてインゴットを劈開することは、従来の刃裁断プロセスでは挽き目へとさもなければ失われる半導体材料の量を実質的に減少させる。劈開行為の効率を高めることに加えて，パラメータ（イオン線量および温度プロファイルなど）の管理もまた、分離される材料への放射損傷を限定しかつ制御するための重要である。結果としての劈開された自立膜は、太陽エネルギーの捕集で使用するために特に適したものとなり得る。
【００２５】
以下の開示の目的のために、「自立膜」または「自立層」は、支持部材（取扱い基材または移動基材など）と接触していなくともその構造の完全性を維持することができる（すなわち、粉々に崩れたりばらばらに壊れたりしない）材料の膜と定義される。通常、非常に薄い膜（例えば約５−１０μｍより薄いシリコン膜）は、取り扱うと必ず壊れる。従来は、かかる薄膜は支持構造体を使用して操作され、この支持構造体にまず初めの段階で薄膜を作り出す必要がある場合がある。より厚い膜（すなわち、２０−５０μｍの厚みを有するシリコン膜）の取扱いは、支持体の使用により容易になり得るが、かかる支持体は強制的なものではない。従って、本発明の実施形態は、２０μｍを超える厚みを有するシリコンの自立膜の製作に関する。
【００２６】
本発明に係る実施形態は、自立膜を形成することに限定されない。別の実施形態は、基板によって支持される膜の形成を包含してよい。さらに、太陽光起電性用途で使用される膜が光電池加工のあいだ真に自立であるかまたは取扱い基材または移動基材で支持されているかにかかわらず、加工された電池は、通常、機械的表面（最終用途のためのガラスまたはプラスチックなど）上に光起電性モジュールの一体部分として取り付けられる。
【００２７】
また以下の開示の目的のために、「バルク材料」は、バルク形態で存在する材料を指す。かかるバルク材料の例としては、成長したままの単結晶シリコンの実質的に円形のインゴットもしくはブール、または側面が薄く削られ実質的に円形断面プロファイル以外のプロファイルを呈するようにされた成長した単結晶シリコンインゴットが挙げられる。バルク材料の他の例としては、正方形、長方形、もしくは台形のプロファイルを呈する多結晶シリコンプレートまたはタイル状薄片が挙げられる。バルク材料のさらに他の例は後述される。
【００２８】
具体的な実施形態では、本発明の方法は、単一のインゴット、例えば、シリコンブールから自立層の複数のスライスを劈開するために連続的に適用されてよい。つまり、この方法は、具体的な実施形態に従って（焼いたパン塊からパンのスライスを切り出すのと同様に）スライスを連続的に劈開するために繰り返すことができる。当然、他の変形形態、修正形態および代替形態が存在し得る。
【００２９】
図１に示すプロセスの流れ１００の具体的な実施形態では、１つ以上の半導体基板を使用して材料の自立厚みを製作するための方法は、以下のように提供される。
１．表面領域および厚みを有する半導体基板を準備するステップ（１０３）、
２．この半導体基板の表面領域を、線形加速器を使用して発生された第１の複数の高速度粒子に曝露するステップ（１０５）、
３．劈開領域内に複数のゲッターリング部位の領域を形成するステップであって、劈開領域は分離されるべき材料の厚みを画定するために上記表面領域の下に提供され、上記半導体基板は第１の温度に維持されているステップ（１０７）、
４．必要に応じて、この半導体基板上で熱処理プロセスを実施して、この劈開領域内に複数のゲッターリング部位をさらに形成するステップ（１０９）、
５．この半導体基板の表面領域を、上記線形加速器を使用して発生された第２の複数の高エネルギー粒子に曝露するステップ（１１１）、
６．上記第２の複数の高エネルギー粒子から、この劈開領域の応力レベルを第１の応力レベルから第２の応力レベルへと高め、他方で上記半導体基板は第２の温度に維持されるステップ（１１３）、
７．劈開プロセスを使用して、自立的である上記分離可能な材料の厚みを、この分離可能な材料が上を覆う支持体部材などを含まないまま切り離すステップ（１１５）、
８．この分離される材料の厚みを支持体部材上に置くステップ（１１７）、
９．この分離される材料の厚み上で１つ以上のプロセスを実施するステップ（１１９）、
１０．必要に応じて、ステップ（２）で表面領域を第１の複数の高エネルギー粒子に曝露する前に、この半導体基板上で１つ以上のプロセスを実施するステップ、
１１．所望に応じて他のステップを実施するステップ。
【００３０】
上記のステップの順序は、本発明の実施形態に係る線形加速器プロセスを使用して基板を形成する方法を提供する。示すように、この方法は、好ましくは厚くかつ自立的である材料の膜を除去するための同時注入プロセスを使用することを含む。本発明の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなくステップが追加されていてもよいし、１つ以上のステップが除かれていてもよいし、または１つ以上のステップが異なる順序で提供されていてもよい他の代替方法もまた、提供することができる。
【００３１】
具体的な実施形態では、図１Ａの単純化した流れ図に示す、バルク材料から自立層を製作する方法は以下の通りである。
１．プロセスの流れ１５０の第１のステップ１５２では、材料が表面領域および厚みを有するバルク形態（すなわち、インゴット、タイル状薄片、プレート）で提供され、
２．第２のステップ１５４では、上記表面領域が第１の複数の高エネルギー粒子に曝露され、
３．第３のステップ１５６では、複数のゲッターリング部位の領域が、分離されるべき自立層の厚みを画定するために上記表面領域の下に提供される劈開領域内に形成され、他方、この劈開領域は第１の温度に維持されており、
４．第４のステップ１５８では、任意の熱処理プロセスが、上記劈開領域内に複数のゲッターリング部位をさらに形成するために、バルク材料上で実施され、
５．第５のステップ１６０では、上記バルク材料の表面領域が第２の複数の高エネルギー粒子に曝露され、
６．第６のステップ１６２では、上記劈開領域の応力レベルが、第２の複数の高エネルギー粒子から、第１の応力レベルから第２の応力レベルへと高められ、他方、このバルク材料は第２の温度に維持され、
７．第７のステップ１６４では、上記自立層は、上を覆う支持体部材などを含まないまま、劈開プロセスを使用して上記バルク材料から切り離され、
８．任意の第８のステップ１６６では、上記自立層は支持体部材上に置かれ、
９．任意の第９のステップ１６８では、１つ以上のプロセスが自立層上で実施され、
１０．任意の第１０のステップ１７０では、上記表面領域を上記第１の複数の高エネルギー粒子に曝露するためにステップ１５２に戻る前に、１つ以上のプロセスが上記バルク材料の上で実施され、
１１．ひとたび上記自立層が上記もとのバルク材料から分離されると、ステップ１７２で残りのバルク材料は、例えばさらなるインゴットの形成のために未使用の単結晶シリコンを溶融物に戻すことによって、さらなるバルク材料の形成のための原材料として使用されてもよく、
１２．所望に応じて他のステップが実施される。
【００３２】
上記のステップの順序は、本発明の実施形態に係る材料の自立層を形成する方法を提供する。示すように、この方法は、バルク材料から自立層を除去するための注入プロセスを使用することを含む。本発明の特許請求の範囲の範囲から逸脱することなくステップが追加されていてもよいし、１つ以上のステップが除かれていてもよいし、または１つ以上のステップが異なる順序で提供されていてもよい他の代替方法もまた、提供することができる。例えば、注入ステップを含む各ステップは、一定温度または温度を変更するというプログラムとして定義される熱プロセス順序を含んでよい。加えて、注入／熱加工ステップ１５４−１６２のサイクルは、劈開プロセスおよび／または膜の寿命を改善するために、より小さい線量の注入のより多くのサイクルにさらに分けられてもよい。本発明の方法のさらなる詳細は、本願明細書全体で、より具体的には下記に見出すことができる。
【００３３】
図２〜図８は、本発明の実施形態に係る厚層転写プロセスを使用する基板または自立層を形成する方法を図示する略図である。これらの図は単なる例であり、本願明細書に添付される特許請求の範囲の範囲を不当に限定しないはずである。当業者なら、多くの変形形態、修正形態および代替形態を認識するであろう。
【００３４】
示すように、上記方法は、表面領域２０１、裏面２０３および厚み２０４を有するバルク形態２００の半導体基板または半導体材料を準備することによって始まる。かかる厚みは、１つのインゴット全体であってもよいし、またはより大きなインゴット等からスライスされたものなどであってもよい。具体的には、厚み２０４は、その元の形態のバルク材料の全体（例えば、全体のインゴット、ブール、タイル状薄片、またはプレート）の厚みを表してもよいし、または（例えば、元のインゴット、ブール、タイル状薄片、もしくはプレートを切断またはスライスすることにより）その元の形態からそれまでに分離されたバルク材料の厚みを表していてもよい。具体的な実施形態では、この半導体基板またはバルク材料は、単結晶シリコンウエハーまたはインゴット、ポリシリコン鋳造ウエハー、タイル状薄片、または基板、シリコンゲルマニウムウエハー、ゲルマニウムウエハー、ＩＩＩ／Ｖ族材料、ＩＩ／ＶＩ族材料、窒化ガリウムの基板などであってよい。好ましい実施形態では、この基板またはバルク材料は、光電性材料であってよい。当然、他の変形形態、修正形態および代替形態があり得る。
【００３５】
図３を参照すると、上記方法は、上記半導体基板またはバルク材料の表面領域を第１の複数の高エネルギー粒子３０１に曝露するステップを含む。特定の実施形態によれば、高エネルギー粒子３０１は線形加速器を使用して発生することができる。
【００３６】
具体的な実施形態では、この粒子は、図４の略図に示すように、分離されるべきバルク材料４０５（いくつかの実施形態では自立層として）の厚みを画定するために上記表面領域の下に提供される劈開領域４０１内に、複数のゲッターリング部位または蓄積領域の形成を引き起こす。好ましくは、第１の複数の高エネルギー粒子は、ピーク濃度を有する注入プロファイルおよびその半導体基板の深さ内に空間的に配された基部を提供する。好ましくは、この基部は、約２Ｒｐ以下の幅を有することができ、注入濃度プロファイルの深さのばらつきは、長手方向のばらつき（ｓｔｒａｇｇｌｅ）と呼ばれる（Ｒｐによって表される）。シリコンでの３．５ＭｅＶの水素注入について、注入深さは約１２０μｍであり、Ｒｐは約３μｍである。
【００３７】
１つの好ましい実施形態では、劈開領域は、直接または間接的に提供することができる第１の温度３０５に維持される。つまり、温度は、具体的な実施形態に応じて、対流、伝導、放射、またはこれらの技法の組合せによって提供することができる。加えて、高エネルギー粒子ビームは、その熱エネルギーの一部を、外部温度源と組合せて提供して所望の注入温度を実現してもよい。特定の実施形態では、この高エネルギー粒子ビームのみが、注入のために所望される熱エネルギー全体を提供してもよい。つまり、直接エネルギーを基板またはバルク材料の温度を上昇させるための熱エネルギーに変換させる高エネルギー粒子ビームを提供することができる。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態も存在し得る。
【００３８】
用途に応じて、特定の実施形態によれば、材料の中の所望の深さまで注入するためのエネルギー要求を減少させるため、および好ましい実施形態に従って材料領域への損傷の可能性を下げるために、より小さい質量粒子が一般に選択される。つまり、より小さい質量粒子は、その粒子が進む材料領域に実質的に損傷を与えることなく、基板材料を通って選択された深さまでより容易に進む。例えば、このより小さい質量粒子（またはエネルギーの大きい粒子）は、ほとんど任意の荷電を帯びた（例えば、正または負に）原子もしくは粒子または中性の原子もしくは分子、または電子などであってよい。具体的な実施形態では、この粒子は、実施形態に応じて、水素およびその同位体のイオン種、希ガスイオン（ヘリウムおよびその同位体、ならびにネオンなど）などのイオンを含めた中性粒子または荷電粒子であってよい。この粒子はまた、ガス（例えば、水素ガス、水蒸気、メタン、および水素化合物、ならびに他の軽い原子質量粒子など）などの化合物から誘導することもできる。あるいは、この粒子は、上記の粒子、およびまたはイオンおよびまたは分子種およびまたは原子種の任意の組合せであってよい。この粒子は一般に、表面を貫通してその表面の下の選択された深さまで侵入するのに十分な運動エネルギーを有する。
【００３９】
例えば、例として水素をシリコンウエハーの中に注入された種として使用して、この注入プロセスは、具体的な一組の条件を使用して実施される。水素の注入線量範囲は約１×１０１５〜約１×１０１６原子／ｃｍ２であり、好ましくは注入された水素の線量は、約８×１０１６原子／ｃｍ未満であり、約５×１０１６原子／ｃｍ２未満であってもよい。注入エネルギーは、光起電性用途に有用な厚膜の形成については、約１ＭｅＶ以上〜約２ＭｅＶ、またはさらに５ＭｅＶ以上の範囲にわたる。注入温度は約−５０〜約＋５０℃の範囲にわたり、約１００〜２５０℃であってもよく、水素イオンが注入されたシリコンウエハーから拡散してくる可能性を防止するために、好ましくは未満約４００℃である。この水素イオンは、約±０．０３〜±１．５ミクロンの精度で選択された深さまでシリコンウエハーの中へと選択的に導入することができる。当然、使用されるイオンの種類およびプロセス条件は用途に依存する。
【００４０】
より高い注入エネルギーについては、再使用可能な基板内で最大範囲の劈開面を可能にするための実質的に純粋なプロトン注入（例えば、正または負に帯電した）を手にすることが特に有用である。例としてシリコンを使用すると、注入のエネルギー範囲は、かなり大きくてよく、光吸収効率を最大にするために引き続いてエピタキシャル成長が必要である光起電性吸収体のためのテンプレート形成のための数ｋｅＶ〜太陽電池ウエハー出発原料として使用するための厚みが数百ミクロンある基板を生成する数ＭｅＶの範囲に及び得る。注入エネルギーの関数としての注入深さの一般的範囲は、例えばＳＲＩＭ  ２００３（Ｓｔｏｐｐｉｎｇ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｎ  Ｍａｔｔｅｒ）またはモンテカルロシミュレーションプログラム（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｒｉｍ．ｏｒｇ／）を用いて算出することができる。具体的な実施形態では、（自立的であってよい）シリコン膜厚みの範囲は、約２ＭｅＶ〜約５ＭｅＶのプロトン注入エネルギーを使用して、約２０μｍまたは５０μｍから約２００μｍに及ぶ。他の実施形態では、このシリコン膜は約５０μｍ〜約２００μｍの厚みを有する自立シリコン層であってよい。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００４１】
具体的な実施形態では、約５０μｍ〜約２００μｍのシリコン膜厚み範囲は、約２．１ＭｅＶ〜約５ＭｅＶの範囲のエネルギーを有するプロトン注入を使用して形成できる。この範囲のシリコン膜厚みによって、自立シリコン基板として使用できるある厚みの単結晶シリコン基板等価物の分離が可能になる。本発明の実施形態に係る５０μｍ〜２００μｍの厚み範囲の単結晶シリコン基板または自立層は、ウエハー切断、エッチング、および／または研磨プロセスを使用する従来の方法を置き換えるために使用してよい。従来の技術における約５０％の切りしろ（切りしろは、裁断およびウエハー形成動作の間に失われる材料の比率と定義される）とは異なって、本発明の実施形態に係る注入劈開技法は、実質的に切りしろを全く有さず、実質的なコスト削減および材料利用効率の改善をもたらす。５ＭｅＶを超えるエネルギーを使用して、別の基板材料を加工する半導体を作製してもよいが、太陽電池製造では、２００μｍ以下がバルクシリコン太陽電池形成用のシリコン太陽電池材料厚みのために所望される。結果として、より厚いシリコン基板は、具体的な実施形態に係る太陽電池を製作するためには、とりたてて商業的関心はない。
【００４２】
特定の実施形態によれば、５ＭｅＶを超える注入エネルギーを使用してよい。かかる高エネルギーの注入は、半導体デバイスの製作における別の材料の基材として自立層を製作するために有用であり得る。しかしながら、太陽電池の製造においては、２００μｍ以下の自立材料厚みが一般に所望される。
【００４３】
例として、ＭｅＶ範囲の注入条件はＲｅｕｔｏｖらによって開示されており（Ｖ．Ｆ．ＲｅｕｔｏｖおよびＳｈ．Ｓｈ．Ｉｂｒａｇｉｍｏｖ，  「薄膜シリコンウエハーの製造方法（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒｓ）」，ソビエト社会主義共和国連邦発明者証（ＵＳＳＲ’ｓ  Ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ  Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ）第１２８２７５７号、１９８３年１２月３０日）、これを参照により本願明細書に援用する。Ｖ．Ｇ．ＲｅｕｔｏｖおよびＳｈ．Ｓｈ．Ｉｂｒａｇｉｍｏｖの文献では、最高３５０μｍの分離されるシリコンウエハー厚みを得るために、注入中の任意の加熱および注入後の再使用可能な基板の加熱の使用を伴って最高７ＭｅＶのプロトン注入の使用が開示された。１ＭｅＶの水素注入を使用する１６ミクロンシリコン膜の熱劈開もまた、Ｍ．Ｋ．Ｗｅｌｄｏｎら，  「シリコンの水素誘発性剥離の機構について（Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）」，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ  １５（４），１９９７年７月／８月によって開示された。これを参照によって本願明細書に援用する。これに関して、用語「分離される」または「転写されるシリコン厚み」は、注入されたイオン範囲によって形成されたシリコン膜厚みが、自立状態に放出され得るか、または自立基板として来るべき使用のための永久基板または暫定的な基板に放出され得るか、または最終的に永久基板上に取り付けられ得ることを意味する。好ましい実施形態では、このシリコン材料は十分に厚く、支持部材として作用する取扱い基板を含まない。当然、膜の取扱いおよび加工のための特定のプロセスは具体的なプロセスおよび用途に依存するであろう。
【００４４】
ここで図５を参照すると、本発明に係る一実施形態は、任意に半導体基板またはバルク材料上で熱処理プロセス５０３を実施して、さらにその劈開領域内に複数のゲッターリング部位を形成してよい。つまり、この熱処理プロセスは劈開領域をアニールおよび／またはクエンチして、複数の第１の粒子を適所に固定する（５０１）。この熱処理は、後の注入もしくは粒子蓄積／拡散プロセスにおいて粒子をゲッターリングおよび蓄積するための効率よい部位として作用することができる欠陥の固定されたネットワークを提供する。
【００４５】
特定の理論または機構に結び付けられることなく、具体的な実施形態では、この高められた温度は永久欠陥のネットワークを促進させると考えられ、かつ第１の複数の粒子からの水素の実質的な部分をトラップするかも知れない。実質的に永久的であるこの欠陥層は、後の注入および／または拡散プロセスからの粒子の効率よい捕集およびトラッピングのための部位を提供する。この注入および／または拡散プロセスは本願明細書全体で、より具体的には下記でより詳細に記載される。
【００４６】
一実施形態によれば、この任意の熱処理は、伝導、対流、放射、またはこれらの技法の任意の組合せを使用して行うことができる。高エネルギー粒子ビームはまた、その熱エネルギーの一部を、外部温度源と組合せて提供して所望の注入温度を実現してもよい。特定の実施形態では、この高エネルギー粒子ビームのみが、注入のために所望される熱エネルギー全体を提供してもよい。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態も存在し得る。
【００４７】
具体的な実施形態では、上記方法は、図６の略図に示されるように、半導体基板またはバルク材料の表面領域を、線形加速器を使用して発生されてもよい第２の複数の高エネルギー粒子に曝露するステップを含む。示すように、この方法は、半導体基板またはバルク材料において提供される第２の複数の高エネルギー粒子６０５を含む。この第２の粒子は、劈開領域６０７の中に導入され、この劈開領域の応力レベルを、第２の複数の高速度粒子から、第１の応力レベルから第２の応力レベルへと上昇させる。具体的な実施形態では、この第２の応力レベルは後の劈開プロセスに適切である。特定の実施形態では、この半導体基板またはバルク材料は、第１の温度より高い第２の温度６０１に維持される。
【００４８】
例として第２の注入ステップでバルクの単結晶シリコンウエハー材料の中に注入された種として水素を使用して、この注入プロセスは、具体的な一組の条件を使用して実施される。注入線量は約５×１０１５〜約５×１０１６原子／ｃｍ２の範囲であり、好ましくはこの線量は約１−５×１０１７原子／ｃｍ２未満である。注入エネルギーは、光起電性用途に有用な厚膜の形成のためには、約０．５ＭｅＶ以上から約２ＭｅＶまたは５ＭｅＶ以上の範囲である。注入線量率は約５００μＡ〜約５０ｍＡで提供することができ、全線量率は、拡大されたビーム面積にわたって注入率を積算することにより算出できる。注入温度は、約−５０℃〜約５５０℃の範囲であり、好ましくは約４００℃を超える。水素イオンは、シリコンウエハーの中へ、選択された深さまで、約±０．０３〜±１．５ミクロンの精度で選択的に導入することができる。具体的な実施形態では、この温度および線量は、分子状水素の効率よい捕捉を可能にするように選択されるが、単原子水素の何らかの拡散が存在してもよい。当然、使用されるイオンの種類およびプロセス条件は、用途に依存する。
【００４９】
上記のようなより高い注入エネルギーについては、再使用可能な基板内で最大範囲の劈開面を可能にするための実質的に純粋なプロトン注入（例えば、正または負に帯電したもの）を手にすることが特に有用である。例としてシリコンを使用すると、注入のエネルギー範囲は、かなり大きくてよく、光吸収効率を最大にするために引き続いてエピタキシャル成長が必要である光起電性吸収体のためのテンプレート形成のための数ｋｅＶ〜太陽電池ウエハー出発原料として使用するための厚みが数百ミクロンある基板を生成する数ＭｅＶの範囲に及び得る。注入エネルギーの関数としての注入深さの一般的範囲は、例えばＳＲＩＭ  ２００３（Ｓｔｏｐｐｉｎｇ  Ｒａｎｇｅ  Ｉｎ  Ｍａｔｔｅｒ）またはモンテカルロシミュレーションプログラム（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｒｉｍ．ｏｒｇ／）を用いて算出することができる。具体的な実施形態では、（自立的であってよい）シリコン膜厚みの範囲は、約２ＭｅＶ〜約３．２５ＭｅＶまたは５ＭｅＶのプロトン注入エネルギー範囲を使用して、約５０μｍ〜約１００μｍに及ぶ。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００５０】
効果的に、この注入された粒子は、選択された深さで基板またはバルク材料の最上表面に平行な面に沿って応力を加えるかまたは破壊エネルギーを減少させる。このエネルギーは、一部は、注入種および条件に応じて変わる。これらの粒子は、選択された深さでその基板またはバルク材料の破壊エネルギーレベルを減少させる。これにより、選択された深さで注入された面に沿って制御された劈開が可能になる。注入は、すべての内部位置におけるその基板またはバルク材料のエネルギー状態がその基板またはバルク材料において非可逆的な破壊（すなわち、分離または劈開）を開始するには不十分であるような条件下で行うことができる。しかしながら、注入は一般に、基板またはバルク材料中に、典型的には少なくとも部分的には後の熱処理、例えば、熱アニーリングもしくは急速熱アニーリングによって修復できる特定量の欠陥（例えば、微小欠陥）を引き起こすことに留意されたい。
【００５１】
具体的な実施形態では、本発明の方法は、適切なビーム強度を有する質量選別された高エネルギー注入手法を使用する。費用効果がよいものとするために、注入ビーム電流は、数十ｍＡの程度のＨ＋またはＨ−イオンビーム電流であるべきである。このシステムがかかる十分に高いエネルギーを注入できる場合、Ｈ２＋イオンもまた、より高い線量率を実現するために好都合に利用できる。かかるイオン注入装置は、最近、高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ−Ｌｉｎａｃ）またはドリフトチューブリニアック（Ｄｒｉｆｔ−Ｔｕｂｅ  Ｌｉｎａｃ）（ＤＴＬ）、またはＲＦ（高周波）−収束櫛型（ＲＦ（Ｒａｄｉｏ）−Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ）（ＲＦＩ）技術を使用することにより利用可能となった。これらは、カリフォルニア州、プレザントンのＡｃｃｓｙｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｃ．、８７１０９  ニューメキシコ州、アルバカーキのＬｉｎａｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ、ＬＬＣなどの会社から入手できる。
【００５２】
具体的な実施形態では、これらの手法は、およそ２０−１００ｋｅＶ〜０．５〜７ＭｅＶまたはこれより多い範囲のプロトンビームの全エネルギーを高めるための抽出されたプロトンビームのＲＦ加速を使用する。この出力ビームは、通常、直径が数ｍｍの程度であり、この用途での使用のためには、ターゲット表面に衝突する出力フラックスが大きくなり過ぎないようにする、およびできる限りターゲット表面を加熱または傷つけないようにするために、一辺が数百ｍｍ〜１ｍ以上の程度のビーム拡大を使用する必要がある。これらの技術で利用できるプロトン電流は、最高１００ｍＡとすることができ、またはこれより大きくすることができる。具体的な例として、１００ｋＷのビーム出力を仮定すると、３．２５ＭｅＶ  ＲＦＱ／ＲＦＩ−Ｌｉｎａｃは約３１ｍＡのプロトンビーム電流を与える。およそ１×１０１６Ｈ／ｃｍの線量および約５００ｍｍ×５００ｍｍの拡大されたビームを使用すると、そのターゲット注入線量で１時間あたりに加工されるシリコン面積は約７ｍ２であるが、他方、出力フラックスは約１３ワット／ｃｍ２に維持される。このパラメータの組合せによって、この手法は費用効果がよい太陽電池生産のために特に実用的になる。当然、他の変形形態、代替形態、および修正形態が存在し得る。
【００５３】
必要に応じて、本発明に係る方法の具体的な実施形態は、注入プロセスの後の熱処理プロセスを含む。具体的な実施形態によれば、本発明の方法は、シリコン材料については約４５０〜約６００℃の範囲の熱プロセスを使用する。好ましい実施形態では、この熱処理は、伝導、対流、放射、またはこれらの技法の任意の組合せを使用して行うことができる。高エネルギー粒子ビームはまた、その熱エネルギーの一部を、外部温度源と組合せて提供して所望の注入温度を実現してもよい。特定の実施形態では、この高エネルギー粒子ビームのみが、注入のために所望される熱エネルギー全体を提供してもよい。好ましい実施形態では、この処理プロセスは、後の劈開プロセスのために劈開領域を乾燥させるために行われる。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００５４】
本発明に係る方法の具体的な実施形態は、図８に図示されるように、自立的である分離可能な材料の厚みを、この分離可能な材料が上を覆う支持体部材などを含まないまま、劈開プロセスを使用して切り離すステップを含む。示すように、この分離可能な材料８０１は、残りの基板部分またはバルク材料８０５から取り除かれる。具体的な実施形態では、この切り離すステップは、制御された劈開プロセスを使用して実施することができる。この制御された劈開プロセスは、ドナー基板の劈開領域の一部分内に選択されたエネルギーを提供する。単なる例として、この制御された劈開プロセスは、カリフォルニア州、サンノゼのＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに共同で譲渡された、制御された劈開プロセス（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｌｅａｖｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）と題する米国特許第６，０１３，５６３号に記載されており、これによりこの特許文献をすべての目的のために参照によって援用する。示すように，本発明の実施形態に係る方法は、（自立的であってよい）材料の厚みを、その材料の厚みを完全に取り除くために、基板またはバルク材料から切り離す。当然、他の変形形態、代替形態、および修正形態が存在し得る。
【００５５】
一実施形態では、上記方法は、１つ以上のパターン化された領域を使用して、劈開行為の開始を容易にする。具体的な実施形態では、本発明の方法は、表面領域および厚みを有する半導体基板を準備する。この方法は、半導体基板の表面領域を、線形加速器を使用して発生された第１の複数の高エネルギー粒子に曝露して、劈開領域内に複数のゲッターリング部位を有するパターン化された領域を形成するステップを含む。好ましい実施形態では、この劈開領域は、分離されるべき材料の厚みを画定するためにその表面領域の下に提供される。この半導体基板は、第１の温度に維持される。この方法はまた、上記半導体基板を処理プロセス、例えば、熱処理に供するステップを含む。この方法は、その半導体基板の表面領域を、劈開領域の応力レベルを第１の応力レベルから第２の応力レベルへと高めるために提供された第２の複数の高エネルギー粒子に曝露するステップを含む。この方法は、そのパターン化された領域の選択された領域で劈開行為を開始させ、劈開プロセスを使用して上記分離可能な材料の厚みの一部分を分離するステップと、劈開プロセスを使用して上記分離可能な材料の厚みを切り離すステップとを含む。
【００５６】
一実施形態では、パターン注入シーケンスは表面を線量の変動に曝露し、このとき開始領域は通常、より高い線量および／またはサーマルバジェットシーケンス（ｔｈｅｒｍａｌ  ｂｕｄｇｅｔ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）を使用して作製される。劈開動作を完了させるための劈開動作の伝搬は、伝搬する劈開フロントを案内するためのさらなる線量領域を使用して起こることができる。あるいは、劈開伝搬は、応力制御を使用して案内される深さに従うことによって成就することができる。劈開の伝搬は、自然の結晶劈開面に従うことによっても実現することができる。これらの技法の１つ以上が、互いと併せて適用されてもよい。一部のまたは大抵の領域は、使用された特定の劈開技術に応じて、より少ない線量で注入されてもよいし、または全く注入されなくてもよい。かかるより少ない線量の領域は、基板から各膜を分離するために必要な全線量を低減することによって注入システムの全体的な生産性を向上させるのに役立てることができる。
【００５７】
具体的な実施形態では、本発明の方法は、他のプロセスを実施することができる。例えば、この方法は、分離される材料の厚みを、後に加工される支持体部材上に置くことができる。加えて、または必要に応じて、本発明の実施形態に係る方法は、表面領域を第１の複数の高エネルギー粒子に曝露する前、または注入ステップ（１回または数回）と劈開ステップとの間で、半導体基板またはバルク材料上で１つ以上のプロセスを実施する。特定の実施形態に応じて、このプロセスは、光電池、もしくは電池プロセス内で使用される層、集積回路、光学デバイス、これらの任意の組合せなどの形成のためのものであってよい。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００５８】
図９は、本発明の一実施形態に係る半導体材料の複数の自立層の形成の単純化した概略図を示す。単結晶シリコンインゴット９００は、５ｃｍの元の厚みを呈し、１５ｃｍ×１５ｃｍの横方向寸法を有する。単結晶シリコンの密度が約２．３２ｇ／ｃｍ３であるため、このバルク単結晶シリコン材料の重量は１５×１５×５×２．３２＝２．６１Ｋｇである。
【００５９】
従って、本発明の実施形態に係る技法を利用したインゴット９００の厚みの約７０％の劈開によって、各々が１００μｍの厚みを有する３５０個の自立単結晶シリコン膜９０２が生産される。１ｍ２は１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を有する約４５個のタイル状薄片表面を表すため、約７．８ｍ２の全シリコン表面積を５ｃｍ厚のインゴットの７０％から生産することができる。劈開されずに単結晶シリコンを形成するインゴット残りの３０％は、高純度に精製された出発原料として溶融物に戻され、劈開のための新しいインゴットを生産することができる。それゆえ、残りの材料は、切りしろまたは失われた材料の一部であると見なされるべきではなく、むしろインゴット材料の再利用可能な機械的な端切れと見なされるべきである。
【００６０】
図１０は、本発明の別の実施形態に係る半導体材料の複数の自立層の形成の単純化した概略図を示す。図１０の実施形態に示すように、単結晶シリコンインゴット１０００は、１５ｃｍの元の厚みを示し、１５ｃｍ×１５ｃｍの横方向寸法を有する。本発明の実施形態に係る技法を利用したインゴット１０００の厚みの約７０％の劈開によって、２０μｍの厚みを有する１７５０個の自立単結晶シリコン膜１００２が生産される。１ｍ２は各々が１５ｃｍ×１５ｃｍの面積を有する約４５個のタイル状薄片表面を表すため、この実施形態では、５ｃｍ厚のインゴットの７０％から約３９ｍ２のシリコンが生産できる。
【００６１】
実験データ
【００６２】
本発明の実施形態に係る分離方法の効率は、以下の実験結果によって証明される。１つの実験において、＞２５Ω−ｃｍのリンＮ型ドーピングされた（１１１）方位の浮遊帯溶解法（ｆｌｏａｔ−ｚｏｎｅ）単結晶シリコンを含む、直径約２５ｍｍおよび厚み約１２．５ｍｍを有する１４．２ｇの重量のバルク材料が、以下の表に詳細を示した条件下で連続３サイクルのスライシングに供された。
【表１】
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【００６３】
３サイクル後、およそ１２０μｍの厚みを有するシリコンの３つの自立層が、上記バルク材料から連続して分離され、１２．１４ｍｍが残った残余のバルク材料が残った。バルク材料効率を算出するために、注入のばらつきを取り除くため１つの側面あたり５μｍ（合計１０μｍ）の注入損傷層エッチングを仮定し、１１０μｍの有効自立層を得た。従って、３６０μｍの材料の厚みが、合計３４０μｍの材料の使用可能な厚みを有する３つのウエハーを生産するために消費された。これから、バルク材料の使用効率は約９４．４％になる。ただし、効率＝（自立層の合計重量）／（消費されたバルク材料の重量）×１００すなわち（０．３８６ｇ／０．４０９ｇ）×１００％である。これは、従来の刃切断またはワイヤ切断技法から予想される５０％の効率よりも実質的に大きい。
【００６４】
本発明の実施形態を使用して自立層をバルク材料から分離することについて、従来の技法に対するある恩恵が実現され得る。例えば、特定の実施形態は、費用効果がよい線形加速器デバイスを使用して高エネルギー注入を提供してよい。かかる線形加速器デバイスとしては、ドリフトチューブ技法、高周波四重極（一般にＲＦＱと呼ばれる）、またはこれらの組合せ（例えば、ドリフトチューブＬｉｎａｃまたはＲＦＩ（ＲＦ−収束櫛型）線形加速器と組合せたＲＦＱ）、および他の適切な技法を挙げることができるが、これらに限定されない。好ましい実施形態では、線形加速器は、バルク材料中の劈開面によって画定される自立材料の厚みを形成する注入プロセスを提供する。
【００６５】
この自立材料の厚みは、光起電性デバイス、３Ｄ  ＭＥＭＳもしくは集積回路、ＩＣ実装、半導体デバイス、これらの任意の組合せなどの用途用の高品質の半導体材料を提供するために、さらに加工されてもよい。本発明の方法の一実施形態は、とりわけ非常に効率よい光電池用の単結晶シリコンを提供する。ある実施形態は、低初期線量のエネルギーの大きい粒子を使用し、これによりこのプロセスの費用効果がよく効率的なものとなる。
【００６６】
本発明に係るある実施形態は、大面積の基板の製作を可能にする。例えば、本発明の実施形態は、所望の形状因子の薄膜シリコン材料プレート（例えば、ポリシリコンプレートについて、１５ｃｍ×１５ｃｍ〜１ｍ×１ｍを超えるか、またはこれよりも大きい面積サイズを有する５０μｍ−２００μｍ厚み）を作製するために適用できる。
【００６７】
本発明の代替的実施形態によれば、シード層がさらにヘテロ構造エピタキシャルプロセスの積層のために提供されてよい。このヘテロ構造エピタキシャルプロセスは、特に、薄い多接合型光電池を形成するために使うことができる。単なる例であるが、本発明の実施形態に係る実施形態の注入プロセスを使用して形成した自立層であるゲルマニウムシード層にＧａＡｓおよびＧａＩｎＰ層をヘテロエピタキシャルに堆積することができる。
【００６８】
本発明の実施形態は、概して、半導体材料加工のために荷電粒子を導入する装置および方法を含む技法に関する。より具体的には、本発明の装置および方法は、高周波四重極線形加速器を使用して、光電池を含めたデバイス用途用の自立できる１つ以上の分離可能な半導体膜を製造するためのＭｅＶエネルギーレベルを有する粒子のビームを得るシステムを提供する。しかし、本発明はもっと広い範囲の適用可能性を有することは認識されるであろう。本発明はまた、集積型半導体デバイスの三次元実装、フォトニックデバイスもしくは光電子工学的デバイス、圧電デバイス、フラットパネルディスプレイ、マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）、ナノテクノロジー構造体、センサ、アクチュエータ、集積回路、生物学および生物医学装置などの他の種類の用途にも適用できる。
【００６９】
図１１は、本発明の実施形態に係るデバイス用途用の半導体材料の分離可能な自立膜の製造のために荷電粒子を導入するための装置を図示する略図である。この図は単に例であり、過度に本願明細書に添付された特許請求の範囲を限定するものではない。当業者は、多くの変形形態、修正形態、および代替形態を認識するであろう。示すように、装置１は、デバイス用途用の自立できる１つ以上の分離可能な半導体膜の製造のための荷電粒子を導入する。より具体的に言えば、装置１１００は、２つのシステム、荷電粒子ビーム発生システムとしてのシステム１１０３およびビーム付与システムとしてのシステム１１０５、を備える。システム１１０３は以下の要素を備える：イオン源１１１０、第１のエネルギーレベルにある初期粒子ビーム１１１２を捕捉し案内するための低エネルギービーム輸送ユニット１１１５、複数のモジュール式高周波四重極エレメント１１４０、ＲＦ出力システム１１２０、真空システム１１３０、高エネルギービーム輸送ユニット１１５３およびビーム拡大器１１５５。システム１１０５は、ビーム拡大器１１５５に連結されたプロセスチャンバであり、そこで拡大されたビーム直径を有する第２のエネルギーレベルにある荷電粒子ビーム１１５８が付与される。システム１１０５はさらに、ワークピース１１７０、トレイデバイス１１７５、２軸移動式ステージを備える。加えて、システム１１０３および１１０５はともに、動作制御およびプロセス制御を提供するコンピュータシステム１１９０に接続されている。
【００７０】
具体的な実施形態では、装置１１００は、複数の荷電粒子を発生するためのイオン源１１１０を備える。イオン源は、実施形態に応じて、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、誘導結合プラズマ、プラズマベースのマグネトロンイオン源、またはペニング源などによって発生させることができる。当業者は、他の変形形態、修正形態、および代替形態を認識するであろう。好ましい実施形態では、複数の荷電粒子は、第１のエネルギーレベルで提供される第１のビーム１１１２として視準が合わされる。
【００７１】
再び図１１を参照して、第１のエネルギーレベルにある第１のビーム１１１２は、低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）ユニット１１１５によって線形加速器サブシステムの中へと案内される。この線形加速器サブシステムは、１からＮまで番号が付けられた互いに連続的に連結された複数のモジュール式高周波四重極（ＲＦＱ）エレメント１１４０を備える。例えば、ＬＥＢＴユニットは、第１のビーム１１１２をＲＦＱ開口の中へと案内するために使用することができる３軸ステージ上に取り付けられた電極を収容する単一の連結式の（ｓｉｎｇｌｅ  ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ）アインツェルレンズに基づく。この横断方向の動きは、第１のビーム１１１２をＲＦＱエレメント１１４０の中へと案内するために使用される。レンズ電圧および長手方向の動きは、第１のエネルギーレベルにある第１のビーム１１１２を複数のＲＦＱエレメント１１４０内で最適化するために使用することができる。他の実施形態では、複数のソレノドを介してなどの磁気的閉じ込め（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）の使用によっても、Ｌｉｎａｃ（ＲＦ）エレメントへのビーム成形および荷電粒子の抽出を提供できるであろう。
【００７２】
具体的な実施形態では、複数のモジュール式ＲＦＱエレメント１１４０は、第１のエネルギーレベルにある荷電粒子の第１のビームを第２のエネルギーレベルにある第２のビームへと束ね、集光し、そして加速するために使用することができる。特に、複数のモジュール式ＲＦＱエレメント１１４０の各々は、２００ＭＨｚの共鳴周波数で動作するＲＦシリンダー構造体中のＲＦ共鳴キャビティであるように構成される。このＲＦシリンダー構造体は、高エネルギー荷電粒子を閉じ込めるかまたは横断方向に集光できる四重極電極を備えることができる。一例において、この四重極電極は、そのキャビティ内の電界分布を管理するように構成される。これらは、翼または支柱を保持する構造の形態であってもよい。四重極電極は、粒子が加速方向にあるとき粒子が電界に曝露され、かつ粒子が減速方向にあるとき電界から遮蔽されているように、そのビーム内の荷電粒子の分布を管理するように構成することができる。四重極電極におけるＲＦ電界の正味の効果は、第１のビーム１１１２に対する加速効果である。別の実施形態では、ＲＦＱエレメント１１４０、または具体的には１１０２〜Ｎと番号を付けたＲＦＱエレメントは、ＲＦ四重極をドリフトチューブ技法と結合してもよい。あるいは、ＲＦＩまたはＱＦＩなどの他のＬｉｎａｃ構成を採用することもできるであろう。第１のビームは、複数のモジュール式ＲＦＱエレメント１１４０を通って第２のエネルギーレベルにあるビームへと加速され得る。具体的な実施形態では、第２のエネルギーレベルは、Ｎと番号を付けたＲＦＱエレメントの出口開口で１ＭｅＶ〜５ＭｅＶの範囲にあることができる。
【００７３】
図１１に戻って参照すると、複数のモジュール式ＲＦＱエレメント１１４０は、３０％負荷で少なくとも５０ｋＷの連続波（ＣＷ）出力および／または約１５０ｋＷのパルス状出力を供給することができるＲＦ出力システム１１２０によって出力される。例えば、ＲＦ出力システム１１２０は、１０００ＭＨｚという高さで動作する規格のものでありかつ少なくとも２．５ｋＷの陽極出力定格を有してよい。他の実施形態は、かかるＲＦ電力変換を提供するために、三極管、四極管、Ｋｌｙｓｔｒｏｄｅ、Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  ｏｕｔｐｕｔ  ｔｕｂｅ（ＩＯＴ）、または同軸ＩＯＴ（Ｃ−ＩＯＴ）を使用してよい。ＲＦ出力システムおよび複数のモジュール式ＲＦＱエレメントの各々は、システムが過熱するのを防止するために、冷却システム（示さず）に連結される。例えば、この冷却システムは、水または他の冷却流体を使用する複数の並行冷却回路を備えていてよい。別の実施形態では、低エネルギービーム輸送ユニットおよび複数のモジュール式ＲＦＱエレメントの各々は、高真空環境１１３０中で提供される。例えば、５×１０−７Ｔｏｒｒ（約７×１０−５Ｐａ）未満の範囲の真空は、少なくとも１つ以上の毎秒４００リットルの分子ポンプ型真空ポンプを使用して提供されてもよい。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００７４】
図１１示すように、粒子発生システム１１０３はさらに、ビームを捕捉しビーム拡大器１１５５に案内するために、Ｎと番号を付けたＲＦＱエレメントの出口開口に高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ）ユニット１１５３を備える。例えば、ビーム拡大器は、荷電粒子ビームをより大きな直径を有するビームに均一に再分配するために四重極、六重極、八重極および／またはより高次の多極構成の複数の磁石を介して管理された磁場を使用することができる。このビーム拡大はまた、ビームが所望のビーム直径およびビームフラックスの空間分布まで自然に拡大する距離にわたる、ビームのドリフトによって起こってもよい。このビーム拡大はまた、ビームが所望のビーム直径およびビームフラックスの空間分布まで自然に拡大する距離にわたる、ビームのドリフトによって起こってもよい。ビーム拡大器を使用して、第２のエネルギーレベルにある荷電粒子ビーム１１５８は基板上で最高５００ｍｍのビーム直径を有することができる。拡大されたビーム直径は、高エネルギー粒子の出力フラックスを低下させ、基板の過熱を防止する。拡大されたビームはまた、基板の面損傷も防止する。さらに、基板の中へのイオンの最適化された線量率は、少なくともビーム直径調整およびビーム電流制御によって提供することができる。例えば、拡大された帯電したイオンビームの全電流は３０ｍＡ以上であってよい。５００ｍｍのビーム直径では、出力フラックスは５０Ｗ／ｃｍ２より低く制御することができ、これは、拡大されたビームの低速走査（または走査すらしない）が表面を過熱することなく起こり得るのに十分低い出力フラックスである。あるいは、より小さいビーム直径、例えば５ｃｍを使用することができ、これは各タイル状薄片内にパターン化された注入線量プロファイルを生成するのに有用であり得る。かかるより小さいビームについては、出力フラックスは５−１０ｋｗ／ｃｍ２まで高くなる可能性があり、表面の過熱を避けるために磁気または静電気の高速走査が必要になる。
【００７５】
別の実施形態では、ビーム拡大器の出力ポートは直接ビーム用途システムに連結され、そこでその荷電粒子の拡大されたビームは、例えば半導体基板の中へと注入するために使用され得る。注入された半導体基板は、光電池などの用途で使用されるべき１つ以上の膜（例えば自立厚膜）を形成するために、さらに加工されてもよい。さらに、必要とされる種のみをその基板に提供するために、ＨＥＢＴは磁気的または電気的質量分析を含むことができる。これによって、何らかのビーム成形ならびに全システムの実装を改善するために、ビームの方向を変えることが可能になる。
【００７６】
一実施形態では、ビーム拡大器に作動可能に連結されたシステム１１０５は、荷電粒子の高エネルギービームを受け取ることができるプロセスチャンバであってよい。具体的な実施形態では、荷電粒子の高エネルギービームは、拡大されたビームを使用してＭｅＶレベルで提供されてよい。例えば、１つ以上のタイル状薄片の形状をした半導体材料であってもよいワークピース１１７０は、トレイデバイス１１７５上に取り付けることができ、荷電粒子の高エネルギービームに曝露することができる。具体的な実施形態では、かかる場合には、ワークピースは、荷電粒子の高エネルギービームの方向に実質的に直角に配置することができる。別の実施形態では、トレイデバイスが２軸ステージ８０を備えて、トレイデバイス１１７５がそれを二次元的に移動して、それにより荷電粒子の高エネルギービームがそのワークピースの表面全体にわたって走査することができるようになっていてもよい。他の実施形態では、そのワークピースの第三次元の移動も、システムの性能を改善するために必要である場合がある。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００７７】
再び図１１を参照すると、制御システム１１９０は、その装置に連結される。この制御システムは、コンピュータシステムであってよい。この制御システムはシステム１１０３およびシステム１１０５の両方に対して、それぞれ動作制御および処理制御を提供する。システム１１０３については、イオン源１１１０は、例えば、最高３０ｍＡの所望の電流を有する視準が合った荷電粒子ビームを提供するように調整することができる。ＲＦ出力システム１１２０は、連続波（ＣＷ）モードまたはパルスモードで動作することができる。制御システムは、複数のモジュール式ＲＦＱエレメントによって形成される線形加速器の中へと送達される所望の出力レベルおよび整合周波数を含めたＲＦ出力を制御する。例えば、ＲＦＱエレメントは、ＲＦ四重極ユニット、ドリフトチューブ、またはＣＷモードでの組合せを含むことができる。ＣＷモードでは、ＲＦ四重極ユニット（または１と番号を付けたＲＦＱエレメント）における全ＲＦ出力消散は、少なくとも４０ｋＷであり、残りのＲＦＱエレメント（すなわち、２〜Ｎと番号を付けたＲＦＱエレメント）への全ＲＦ出力消散は少なくとも２６ｋＷである。ビーム輸送ユニットもまた、３軸移動式ステージおよびレンズ電圧を調整して最適化されたビーム捕捉を提供することによって、制御システムによって制御される。制御システムは、ビーム拡大器に連結され、出力ビームの所望のビーム直径およびビーム均一性まで拡大される。具体的な実施形態では、ビーム拡大器は磁場を使用して制御される。別の実施形態では、制御システム９０は、ビーム付与システムに連結され、トレイデバイス内での温度測定およびワークピース制御などの加工制御が提供される。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００７８】
具体的な実施形態では、本発明の実施形態に係る装置は、注入プロセスに提供するためのＭｅＶエネルギーレベルの荷電粒子ビームを提供する。注入プロセスは複数の不純物粒子をある厚みの半導体基板内で選択された深さまで導入し、その厚み内に劈開領域を画定する。用途に応じて、好ましい実施形態によれば材料領域への損傷の可能性を下げるために、より小さい質量粒子が一般に選択される。つまり、より小さい質量粒子は、その粒子が進む材料領域に実質的に損傷を与えることなく、基板材料を通って選択された深さまでより容易に進む。例えば、このより小さい質量粒子（またはエネルギーの大きい粒子）は、ほとんど任意の荷電を帯びた（例えば、正または負に）原子もしくは粒子およびまたは中性の原子もしくは分子、または電子などであってよい。具体的な実施形態では、この粒子は、実施形態に応じて、水素およびその同位体のイオン種、希ガスイオン（ヘリウムおよびその同位体、ならびにネオンなど）などのイオンを含めた荷電粒子であってよい。この粒子はまた、ガス（例えば、水素ガス、水蒸気、メタン、および水素化合物、ならびに他の軽い原子質量粒子など）などの化合物から誘導することもできる。あるいは、この粒子は、上記の粒子、およびまたはイオンおよびまたは分子種およびまたは原子種の任意の組合せであってよい。この粒子は一般に、表面を貫通してその表面の下の選択された深さまで侵入するのに十分な運動エネルギーを有する。
【００７９】
ここで、本発明の実施形態に係る高エネルギー荷電粒子を発生させるための方法の略図である図１２を参照する。示すように、この方法１２００は、第１のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を発生させるステップ（ステップ１２０１）を含む。具体的な実施形態では、この第１のエネルギーにある複数の荷電粒子は、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）、誘導結合プラズマ、プラズマベースのマグネトロンイオン源、またはペニング源などのイオン源を使用して提供されてよい。第１のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子は、低エネルギー輸送（ＬＥＢＴ）ユニット（ステップ１２０３）において線形加速器の中へ案内される。この線形加速器は、第１のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を加速し、第２のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子を生成する（ステップ１２０５）。この第２のエネルギーレベルは、第１のエネルギーレベルよりも高い。第２のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子はビーム拡大器（ステップ１２０７）に曝露され、第２のエネルギーレベルにある複数の荷電粒子のビーム直径を拡大する。この方法は、拡大されたビームをワークピースの上に照射する（ステップ１２０９）。具体的な実施形態では、ワークピースは、トレイデバイスで提供される半導体基板のタイル状薄片であってよい。複数の荷電粒子の拡大されたビームが走査され（ステップ１２１１）、例えば、光起電性用途用の基板を形成するための注入プロセスを提供する。当然、当業者は、１つ以上のステップが付加されてもよく、１つ以上のステップが除かれていてもよいし、または上記ステップが異なる順序で提供されていてもよい多くの変形形態、修正形態、および代替形態を認識するであろう。
【００８０】
例として水素をシリコンウエハーの中に注入された種として使用すると、この注入プロセスは、具体的な一組の条件を使用して実施される。注入線量は、約１×１０１５〜約１×１０１６原子／ｃｍ２の範囲であり、好ましくはこの線量は約５×１０１６原子／ｃｍ２未満である。注入エネルギーは、光起電性用途に有用な厚膜の形成については、約１ＭｅＶ以上〜約５ＭｅＶ以上の範囲にわたる。注入温度は約−５０〜約５５０℃の範囲にわたり、水素イオンが注入されたシリコンウエハーから拡散してくる可能性を防止するために、好ましくは約４００℃未満である。この水素イオンは、約±０．０３〜±１．５ミクロンの精度で選択された深さまでシリコンウエハーの中へと選択的に導入することができる。当然、使用されるイオンの種類およびプロセス条件は用途に依存する。
【００８１】
例として、ＭｅＶ範囲の注入条件はＲｅｕｔｏｖらによって開示されており（Ｖ．Ｆ．ＲｅｕｔｏｖおよびＳｈ．Ｓｈ．Ｉｂｒａｇｉｍｏｖ，  「薄膜シリコンウエハーの製造方法（Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ  Ｔｈｉｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒｓ）」，ソビエト社会主義共和国連邦発明者証（ＵＳＳＲ’ｓ  Ｉｎｖｅｎｔｏｒｓ  Ｃｅｒｔｉｆｉｃａｔｅ）第１２８２７５７号，１９８３年１２月３０日）、これを参照により本願明細書に援用する。Ｖ．Ｇ．ＲｅｕｔｏｖおよびＳｈ．Ｓｈ．Ｉｂｒａｇｉｍｏｖの文献では、最高３５０μｍの分離されるシリコンウエハー厚みを得るために、注入中の任意の加熱および注入後の再使用可能な基板の加熱の使用を伴って最高７ＭｅＶのプロトン注入の使用が開示された。１ＭｅＶの水素注入を使用する１６ミクロンシリコン膜の熱劈開もまた、Ｍ．Ｋ．Ｗｅｌｄｏｎら，  「シリコンの水素誘発性剥離の機構について（Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ−Ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）」，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ  １５（４），１９９７年７月／８月によって開示された。これを参照によって本願明細書に援用する。これに関して、用語「分離される」または「転写されるシリコン厚み」は、注入されたイオン範囲によって形成されたシリコン膜厚みが、自立状態に放出され得るか、または自立基板として来るべき使用のための永久基板または暫定的な基板に放出され得るか、または最終的に永久基板上に取り付けられ得ることを意味する。好ましい実施形態では、このシリコン材料は十分に厚く、支持部材として作用する取扱い基板を含まない。当然、膜の取扱いおよび加工のための特定のプロセスは具体的なプロセスおよび用途に依存するであろう。
【００８２】
図１３は、本発明の実施形態に係る連続プロセスを使用して基板を形成するためのシステム１３００を図示する略図である。この図は単に例であり、過度に本願明細書に添付された特許請求の範囲を限定するものではない。当業者は、多くの変形形態、修正形態、および代替形態を認識するであろう。図１３に示すように、このシステムは、少なくとも１つの基板部材１３０１を準備することを含む。基板部材の各々は、その上に配された複数のタイル状薄片１３０３を含む。この複数の部位の各々は、注入されることになっている再使用可能な基板部材１３０３を含む。具体的な実施形態では、複数のタイル状薄片の各々は、単結晶シリコンウエハー、ポリシリコン鋳造ウエハー、タイル状薄片、または基板、シリコンゲルマニウムウエハー、ゲルマニウムウエハー、ＩＩＩ／Ｖ族材料、ＩＩ／ＶＩ族材料、窒化ガリウムなどの半導体基板を含むことができる。この単結晶材料のいずれも、劈開の容易さ、好ましいデバイス動作などの利点をもたらす特定の方位に切り出すことができる。例えば、シリコン太陽電池は、この種の自立基板を得るために、主に（１００）、（１１０）、または（１１１）の表面方位を有するように切り出すことができる。当然、主要な結晶方位から意図的にミスカットされた方位面を有する出発材料を調製することもできる。このシステムはまた、注入デバイス（示さず）をも備える。この注入デバイスは、プロセスチャンバ１３０５の中に収容される。具体的な実施形態では、この注入デバイスは、走査注入プロセスを提供する。かかる注入デバイスは、具体的な実施形態における線形加速器で発生された、拡大された高エネルギーイオンビームを使用することができる。図１４に示すように、注入デバイスは、注入されることになっている不純物を複数のタイル状薄片に提供するためのイオン注入ヘッド１４０２を備える。このシステムはまた、可動式の軌道部材１４０４をも備える。この可動式の軌道部材としては、ローラー、空気軸受、または特定の実施形態における可動式の軌道を挙げることができる。可動式の軌道部材１４０４は、走査注入プロセスのための基板部材の空間的移動を提供する。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【００８３】
本発明に係るある実施形態は、注入のために走査モードを採用してよい。かかる実施形態の例は、図１７〜図１７Ｃの単純化した概略図に示されている。特に、図１７は、本発明に係る注入を実施するための装置の実施形態の要素を図示する単純化した概略図である。図１７Ａは、図１７の装置のイオン源および低エネルギービーム輸送部の拡大概略図を示す。
【００８４】
装置１７００は、低エネルギービーム輸送（ＬＥＢＴ）部１７０４と真空連通したイオン源１７０２を備える。ＬＥＢＴ  １７０４は、電気的および磁気的なビーム抽出、成形および集光のためのエレメントを含んでよい。このＬＥＢＴ部１７０４は、少なくとも以下の機能を実施する。
【００８５】
図１７Ａを参照すると、ＬＥＢＴはイオン源チャンバ１７０３の開口１７０３ａから差し込むイオンを取り込んで、これらのイオンを相対的に低いエネルギー（１００ｋｅＶ以下、ここでは約３０ｋｅＶ）まで加速する。このイオンの加速は、後続の線形加速器（ｌｉｎａｃ）部１７２０の第１の、高周波四重極（ＲＦＱ）ステージ１７２２に結合するために必要な共鳴速度を実現する。あるいは、これは、ビームを磁気的に抽出、成形および集光することができる複数のソレノイドを使用することによって実現することができる。
【００８６】
イオン供給源の例としては、ＥＣＲ、マイクロ波イオン源、マグネトロンイオン源、およびペニング源が挙げられる。イオン化方法の例としては、電子ビーム（ｅ−ｂｅａｍ）、レーザー、熱陰極放電および冷陰極放電、および熱技法の使用が挙げられる。
【００８７】
ＬＥＢＴ  １７０４はまた、典型的には、ｌｉｎａｃ部１７２０の第１の、ＲＦＰステージ１７２２への最適の受入れのためにイオンビームを成形する機能を果たす。この特定の実施形態では、ビーム成形エレメントはアインツェルレンズ１７０６である。しかしながら、別の実施形態によれば、異なる設計（ソレノイド（磁場レンズ作用など）を用いる他のＬＥＢＴレンズが使用できる。
【００８８】
ＬＥＢＴ  １７０４はまた、電子抑制器（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ）エレメント１７０８をも備える。このエレメント１７０８は、ＬＥＢＴの曝露された表面と相互作用する逸脱したイオンによって発生される二次電子を抑制する働きをする。
【００８９】
ｌｉｎａｃ部１７２０に入ると、イオンビームは、連続的なステージによってますます高いエネルギーまで加速される。図１７Ｂは、線形加速器部１７２０の単純化した概略図を示す。
【００９０】
第１の、ＲＦＱステージ１７２２では、イオンは、約３０ｋｅＶのエネルギーから約１．１ＭｅＶのエネルギーまで加速される。第２のｌｉｎａｃステージ１７２４では、イオンは約２．１ＭｅＶまで加速される。第３でかつ最後のｌｉｎａｃステージ１７２６では、イオンは約３．５ＭｅＶまたはさらにこれより大きいエネルギーまで加速される。
【００９１】
ＬＥＢＴによって第１の加速器１７２２の入口に提供されるイオンビームは、供給源パルスの間、連続的である。しかしながら、ＲＦ加速器７２０の交互の加速／集光機構を介して、この連続的ビームは、それらがこれらのＬｉｎａｃを通っていくうちに加速されるにつれて、１つのＲＦ期間だけ時間的に間隔を空けたパケットまたはバンチ（ｂｕｎｃｈ）へと変換される。
【００９２】
図７Ｂは、典型的なレベルＲＦ増幅器、フィードバック制御、およびＬｉｎａｃステージへのＲＦ接続部を示す。単独または複数のＲＦ入力は、ＲＦＱおよびＲＦＩＬｉｎａｃの１つ以上の組合せを連結する。
【００９３】
動作の間、ＲＦＱおよびＲＦＩキャビティから反射された出力がモニターされる。閉じたフィードバックループでは、ＲＦ周波数は、同時にすべてのキャビティで共鳴を維持することによって、反射された出力を最少にするように調整される。
【００９４】
ＲＦＱおよびＲＦＩの組合せは、このシステムの効率を最大にするように選択されてよい。具体的には、ＲＦＱ技術の効率は約０．７５ＭｅＶを超えるとプロトンエネルギーとともに低下するため、最終のビームエネルギーを実現するために、ＲＦＩ  Ｌｉｎａｃ（ＲＦＱよりも効率よい）が、後の加速ステージで使用される。
【００９５】
ｌｉｎａｃ部１７２０を出た後、イオンビームは高エネルギービーム輸送（ＨＥＢＴ）部１７４０に入る。このＨＥＢＴ部１７４０の機能は、非常にエネルギーの大きいイオンビームの進路を曲げて、ターゲット上でのビームの走査を実現すること（適切な場合）、およびまた、最後のｌｉｎａｃステージ１７２６から出る非常にエネルギーの大きいイオンビームを成形する（例えば楕円形から円形）ことである。
【００９６】
ビームは、一組の診断エレメントを通って進み、質量分析のための双極子磁石に入る。この地点で、磁場は、荷電粒子が運動量解析されるように配置されている。
【００９７】
具体的には、非常にエネルギーを高められたイオンビームはまず、任意に解析用磁石１７４２に曝露され、この解析用磁石はビームの方向を変え、そして本願を通して記載される精製機能を実施し、その結果、高エネルギービームの最初の混入物質はビームダンプ１７４４に送られる。
【００９８】
特定の実施形態によれば、解析用磁石１７４２は、経時的に一定であるビームに対して力を行使し、その結果、精製されたビームの生成した方向は変化しない。別の実施形態によれば、しかしながら、この解析用磁石は、経時的に変化するビームに対して力を行使してもよく、その結果、そのビームの方向は実際に変化する。詳細に後述するように、解析用磁石によって成就されるかかるビーム方向の変化は、１つの軸に沿ったビームの所望の走査を成就するのに役立ち得る。
【００９９】
この解析用磁石エレメントの後、このビームはさらに集光されてもよく、次いでこのビームはＤＣオフセットおよび／またはＡＣ可変（ＡＣ  ｖａｒｙｉｎｇ）ビームをともに提供するための種々の方法を用いて走査されてよい。例えば、図１７の実施形態では、解析用磁石を出た後、精製されたイオンビームはビームスキャナ１７４８に入る。図１７Ｃは、本発明に係るビームスキャナ１７４８の実施形態の単純化した概略図を示す。具体的には、ビームスキャナ１７４８は、第１の面においてビームの場所を変えるために走査するように構成された第１のスキャナ双極子１７４７を備える。ビームスキャナ１７４８はまた、第１の面と直交する第２の面においてビームの場所を変えるために走査するように構成された第２のスキャナ双極子１７４９も備える。
【０１００】
最終のビーム成形および集光は、四重極および六重極などの磁気集束の種々の組合せを使用して実施されてよく、磁場はそのビームに所望のプロファイル（すなわち、ガウス分布、トップハット（ｔｏｐ−ｈａｔ）など）を付与するように配置される。
【０１０１】
高性能の制御システムを、全領域走査範囲を実現するため、またはパターン化された範囲（すなわち、線またはスポットのみ）を提供するために利用することができる。制御システムは、ビームの滞留時間を制御することによって、および／またはビームが同じ場所にわたって走査される回数を調節することによって、より少ない照射量（ｄｏｓａｇｅ）もしくはより多い照射量を提供してよい。ＨＥＢＴ全体にわたり、ビームは、寄与するドリフト部分を許容することによって拡大が許容されてよい。
【０１０２】
図１７Ｄ−Ｇは、本発明の実施形態に係るワークピースにわたるイオンの高エネルギービームの走査の模擬的結果を示す。具体的には、図１７Ｄは、５３２個のスポット曝露のラスターパターンを示す。図１７Ｅは、図１７Ｄの５３２個のスポット曝露の出力密度を三次元でプロットする。図１７Ｅは、図１７Ｄの５３２個のスポット曝露の出力密度を二次元でプロットする。
【０１０３】
図１７Ｇは、１ｍドリフト後の５ｃｍウエハー上での分布に対する出力密度の棒グラフである。一緒になって、これらの図は、３Ｅ１６／ｃｍ２のプロトン密度で、５％の未満の出力密度均一性で５ｃｍ直径のワークピースを照射することが可能であることを示す。
【０１０４】
図１７Ｃに示すビームスキャナの特定の実施形態は２つの双極子を備えるが、これは本発明が必要とするものではない。別の実施形態によれば、ビームスキャナはただ１つの双極子を備えることができる。具体的には、特定の実施形態によれば、ビームスキャナの上流に位置する解析用磁石は、ビームスキャナの１つの双極子によって走査が実現される面に直角な面での走査を提供するために利用することができる。１つのかかる実施形態では、解析用磁石の磁場の時間差異によって、方向が直角から±４°だけ変動する、エネルギーを高められたビームが生成してもよい。解析用磁石を出る精製されたビームの方向のかかる「揺れ（ｗｏｂｂｌｅ）」は、ビームスキャナの第２の双極子の代わりに走査のために利用することができる。あるいは、かかる揺れたビームは、第２の双極子も有するビームスキャナと組合せて使用してよく、その結果、その揺れの方向における走査の大きさは増大する。かかるビームスキャナは、直流偏位（ＤＣ  ｓｈｉｆｔ）によってビームを移動させるために使用することができ、その場合は揺れが起こることが許容される。
【０１０５】
ＨＥＢＴ全体にわたり、ビームは、寄与するドリフト部分を許容することによって拡大が許容されてよい。ビーム拡大器は、ＨＥＢＴにおける最後のエレメントであってよい。このビーム拡大器は、デバイス（磁気八極子など）であってよいし、またはビームがそれ自身で拡大することを許容する、ビームにとっての進む長さであってもよい。スキャナの使用によってそのスキャナの下流でのビームの能動的拡大／成形が非常に困難になる可能性があるため、さらなる進行に起因するビーム拡大が好ましいこともある。総括すれば、ビームは、Ｌｉｎａｃからビーム解析器へ、次いでビームスキャナへ輸送され、最後にビーム拡大を受ける。
【０１０６】
図１７に示す特定の実施形態はビームの進路を成形および制御するためのエレメントを備えているが、これらは本発明が必要とするものではない。本発明に係る別の実施形態は、かかるエレメントを欠きかつビームが加速器を出た後にビームの形状が拡大することを可能にするドリフトチューブ構成を採用することができる。ビーム自体を走査するのではなく、別の実施形態はターゲットタイル状薄片自体の物理的平行移動によってビームの位置を変えてもよい。
【０１０７】
図１７は、エンドステーション１７５９を含めた装置の残りの要素を示す。このエンドステーション１７５９では、タイル状薄片１７６０は、エネルギーの大きいイオンビームを用いて走査されるプロセスにおいて、真空中で走査ステージ１７６２に支持される。タイル状薄片１７６０は、ロボットチャンバ１７６４およびロードロック１７６６を介して走査ステージに提供される。
【０１０８】
走査ステージ１７６２は、一次元、二次元、または三次元においてさえ、上記粒子ビームを受けるワークピースまたはバルク材料の位置を平行移動させる機能を果たしてよい。特定の実施形態によれば、走査ステージは、１つの軸のみに沿って移動するように構成されてよい。さらに他の実施形態によれば、この走査ステージは２つの軸に沿って移動するように構成されてもよい。図１７の特定の実施形態に示すように、走査ステージによるターゲット材料の物理的平行移動は、単独で作用するか、またはビームフィルタによって成就される走査と組合せて作用する走査デバイスによるビームの走査を伴ってよい。走査ステージは本発明が必要とするものではなく、特定の実施形態では、ワークピースは、放射線に曝露されている間、固定して支持されていてもよい。
【０１０９】
図１７−１７Ｃの装置の種々の要素は、典型的にはプロセッサ１７８２およびコンピューター可読記憶媒体１７８４を含むホストコンピュータ１７８０の制御下にある。具体的には、プロセッサは、イオン源、加速器、ＬＥＢＴ、ＨＥＢＴ、およびエンドステーションを含む装置１７００の異なるエレメントと電気的連通しているように構成される。コンピューター可読記憶媒体は、これらの種々の要素のいずれかの動作を命令するためのコードを記憶している。プロセッサから受け取られる命令によって制御されてもよいプロセスの態様の例としては、種々の要素（エンドステーションおよびＨＥＢＴなど）内の圧力、ビーム電流、ビーム形状、走査パターン（スキャナおよび／もしくは解析用磁石を利用してビームを走査することによるか、ならびに／または基板のＸＹモーター付きステージを用いた平行移動を利用してターゲットを移動させる、すなわち、ペインティング（ｐａｉｎｔｉｎｇ）によるかのいずれか）、ビームのタイミング、エンドステーションへの／からのタイル状薄片の供給，ビーム精製装置（すなわち、解析用磁石）の動作、イオン源に印加されるガスおよび／または電力の流れなどが挙げられるが、これらに限定されない。
【０１１０】
上記のクーポンシステムの種々の要素は、種々の機能を有するコンピュータシステムを用いて実行されてよい。図１８は、ディスプレイデバイス１８２０、ディスプレイスクリーン１８３０、キャビネット１８４０、キーボード１８５０、およびマウス１８７０を含む一般的なコンピュータシステム１８１０の例を示す。マウス１８７０およびキーボード１８５０は、代表的な「ユーザー入力デバイス」である。マウス１８７０は、グラフィカルユーザーインターフェースデバイス上のボタンの選択ためのボタン１８８０を備える。ユーザー入力デバイスの他の例は、タッチスクリーン、ライトペン、トラックボール、データグローブ、マイクロフォンなどである。図１８は、本発明を具現化するためのシステムの単に１つのタイプを表している。多くのシステムのタイプおよび構成が本発明と組合せた使用に好適であることは、当業者には容易に明らかであろう。好ましい実施形態では、コンピュータシステム１８１０は、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによるＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）  ＮＴオペレーティングシステムによって動作するＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標）クラスベースのコンピュータを備える。しかしながら、この装置は、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって他のオペレーティングシステムおよびアーキテクチャに容易に適合される。
【０１１１】
上述のように、マウス１８７０は、ボタン１８８０のような１つ以上のボタンを有することができる。キャビネット１８４０は、ディスクドライブ、プロセッサ、記憶デバイスなどの馴染みのあるコンピューター要素を収容する。記憶装置としては、ディスクドライブ、磁気テープ、固体メモリ、バブルメモリなどが挙げられるが、これらに限定されない。キャビネット８４０は、コンピュータシステム１８１０をさらに後述される外部デバイス外部記憶、他のコンピューターまたは付加的な周辺機器に接続するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェースカードなどのさらなるハードウエアを含むことができる。
【０１１２】
図１８Ａは、図１８のコンピュータシステム１８１０における基本的なサブシステムの説明図である。この図は単なる説明図であり、添付の特許請求の範囲の範囲を限定することはない。当業者は他の変形形態、修正形態、および代替形態を認識するであろう。特定の実施形態では、このサブシステムは、システムバス１８７５を介して相互連結される。プリンタ１８７４、キーボード１８７８、固定ディスク１８７９、モニター１８７６（これはディスプレイアダプタ１８８２に連結されている）などのさらなるサブシステムが示されている。Ｉ／Ｏコントローラ１８７１に連結している周辺機器および入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスは、非常に多くの当該技術分野で公知の手段（シリアルポート１８７７など）によって、コンピュータシステムに接続することができる。例えば、シリアルポート１８７７は、コンピュータシステムをモデム１８８１（このモデムは次に広域ネットワーク（インターネットなど）に接続する）、マウス入力デバイス、またはスキャナに接続するために使用することができる。システムバスを介して相互連結することで、中央プロセッサ１８７３が各サブシステムと連絡し、システムメモリ１８７２または固定ディスク１８７９からの命令の実行およびサブシステム間の情報の交換を制御することが可能になる。サブシステムおよび相互連結の他の配置は、当業者によって容易に実現できる。システムメモリ、および固定ディスクは、コンピュータプログラムの記憶のための具体的な媒体の例であり、他のタイプの具体的な媒体としては、フロッピー（登録商標）ディスク、リムーバブルハードディスク、光学式記憶媒体（ＣＤ−ＲＯＭおよびバーコードなど）、および半導体メモリ（フラッシュメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、およびバッテリーパック式メモリが挙げられる。
【０１１３】
本願に記載されるソフトウェア要素または機能のいずれも、任意の適切なコンピューター言語（例えば、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｃ＋＋またはＰｅｒｌなど）を使用して、例えば、従来の技法またはオブジェクト指向型技法を使用してプロセッサによって実行されるべきソフトウェアコードとして実行されてよい。このソフトウェアコードは、一連の命令、またはコマンドとして、コンピューター可読媒体（ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、磁気媒体（ハードドライブもしくはフロッピー（登録商標）ディスク）、または光学式媒体（ＣＤ−ＲＯＭなど））上に記憶されてよい。いずれのかかるコンピューター可読媒体も、１つの計算装置上もしくは内に存在してよく、システムまたはネットワーク内の異なる計算装置上または内に存在してもよい。
【０１１４】
注入された粒子は、選択された深さで基板の最上表面に平行な面に沿って応力を加えるか、または破壊エネルギーを低下させる。このエネルギーは、一部は注入種および条件に依存する。これらの粒子は、選択された深さで基板の破壊エネルギーレベルを低下させる。これにより、選択された深さで注入された面に沿って制御された劈開が可能になる。
【０１１５】
特定の実施形態によれば、注入は、すべての内部位置での基板のエネルギー状態が基板材料中で非可逆的破壊（すなわち、分離または劈開）を開始させるには不十分であるような条件下で行うことができる。あるいは、パターン化された注入を用いて、基板の特定の領域のみに粒子を導入するか、または特定の領域でより低い線量を導入することができる。
【０１１６】
特定のかかる実施形態によれば、劈開が開始されるべき領域のみが十分または高い線量を受けるように、パターン化された注入を用いることができる。劈開が単に伝搬されるべき他の領域は、少ない線量を受けてもよいし、またはまったく線量を受けなくてもよい。照射量のかかる変動は、特定の領域でのビームの滞留時間を制御することによるか、特定の領域がそのビームに曝露される回数を制御することによるか、またはこれらの２つの手法の何らかの組合せのいずれかによって成就され得る。一実施形態では、２０ｍＡのＨ＋イオンのビームは、２．５ｋｍ／秒の走査速度（５ｃｍビーム直径を用いた１ｍのトレイ幅内での１．２５ＫＨｚの走査周波数に対応する）から生じる２００μｓの最小滞留時間で１．２５×１０１７Ｈ原子／（ｃｍ２秒）のフラックスを提供することができ、１パスあたり２．５×１０１３Ｈ原子／ｃｍ２の最小線量をもたらす。より長い滞留時間は、当然、受ける照射量を増大させる。
【０１１７】
特定の実施形態によれば、高線量領域での劈開行為は他の力（物理的衝突（刃）、超音波、または異なる材料間の熱膨張／収縮係数の差から生じる応力などが挙げられるがこれらに限定されない）によって開始されてもよい。１つの特定の実施形態によれば、基板は、金属層に結合されてもよく、この金属層が、基板／金属の組合せが冷えるにつれて、高注入照射量を受ける領域で劈開を開始し、かつ／または既存の注入開始領域を伝搬させるのに十分な応力を誘導する。
【０１１８】
しかしながら、注入は一般に、基板中に、典型的には少なくとも部分的には後の熱処理、例えば、熱アニーリングもしくは急速熱アニーリングによって修復できる特定量の欠陥（例えば、微小欠陥）を引き起こすことを理解されたい。必要に応じて、本方法は、具体的な実施形態に係る注入プロセスの後に熱処理プロセスを含む。具体的な実施形態では、本発明の方法は、シリコン材料については約４５０〜約６００℃の範囲の熱プロセスを使用する。好ましい実施形態では、この熱処理は伝導、対流、放射、またはこれらの技法の任意の組合せを使用して、行われてよい。高エネルギー粒子ビームはまた、その熱エネルギーの一部を、外部温度源と組合せて提供して所望の注入温度を実現してもよい。特定の実施形態では、この高エネルギー粒子ビームのみが、注入のために所望される熱エネルギー全体を提供してもよい。加熱供給源としての高エネルギービームのかかる二次使用は、システムのエネルギー消費を制限し、システム全体の電力効率を高めるのに役立つ。好ましい実施形態では、処理プロセスは、後の劈開プロセスのために劈開領域を乾燥させるために行われる。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【０１１９】
具体的な実施形態では、本方法は、図１５に図示されるように、自立的である分離可能な材料の厚みを、この分離可能な材料が上を覆う支持体部材などを含まないまま、劈開プロセスを使用して切り離すステップを含む。示すように、この分離可能な材料１５０１は、残りの基板部分１５０５から取り除かれる。具体的な実施形態では、この切り離すステップは、制御された劈開プロセスを使用して実施することができる。この制御された劈開プロセスは、ドナー基板の劈開領域の一部分内に選択されたエネルギーを提供する。単なる例として、この制御された劈開プロセスは、カリフォルニア州、サンノゼのＳｉｌｉｃｏｎ  Ｇｅｎｅｓｉｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに共同で譲渡された、制御された劈開プロセス（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｌｅａｖｉｎｇ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）と題する米国特許第６，０１３，５６３号に記載されており、これによりこの特許文献をすべての目的のために参照によって援用する。示すように、本方法は、材料の厚みを、その材料の厚みを完全に取り除くために、基板から切り離す。当然、他の変形形態、代替形態、および修正形態が存在し得る。
【０１２０】
図１６は、本発明の別の実施形態に係る分離可能な材料１６１０の厚みを切り離す方法１６００を図示する。示すように、劈開面１６０２は、表面領域１６０６を有する基板１６０４に提供される。この基板はシリコンウエハーなどであってよい。劈開面は、具体的な実施形態の本願明細書の別の箇所に記載された注入された水素種を使用して、提供することができる。他の注入種を使用してもよい。これらの他の注入種としては、ヘリウム種または組合せを挙げることができる。具体的な実施形態では、この基板は予め決定された温度範囲に維持される。示すように、チャック部材１６０８が提供される。このチャック部材は、真空、加熱ガス、および極低温／冷ガスを提供するための手段を備える。分離可能な材料を分離するために、このチャック部材は、基板の表面領域に連結され、このチャック部材は加熱ガスを放出し、別の範囲まで基板の温度を高める。この基板は、極低温／冷ガスを使用して冷却され、その基板から材料の厚みの分離が引き起こされる。材料の分離される厚みは、次いで表面領域１６１２に真空を適用することにより取り除かれてよい。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【０１２１】
具体的な実施形態では、本発明の方法は、他のプロセスを実施することができる。例えば、本方法は、分離される材料の厚みを、後に加工される支持体部材上に置くことができる。加えて、または必要に応じて、本方法は、表面領域を第１の複数の高エネルギー粒子に曝露する前に、半導体基板上で１つ以上のプロセスを実施する。実施形態に応じて、このプロセスは、光電池、集積回路、光学デバイス、これらの任意の組合せなどの形成のためのものであってよい。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。
【０１２２】
上記は、具体的な実施形態の完全な説明であるが、種々の修正形態、代替的構成物および均等物が使用されてよい。上記はステップの選択された順序を用いて説明してきたが、記載されたステップおよび他のステップの任意の要素の任意の組合せを使用してよい。さらに、実施形態に応じて、特定のステップが組合わされかつ／または排除されてもよい。さらに、水素の粒子は、ヘリウムと水素イオンの同時注入または重水素と水素イオンの同時注入を用いて置き換えて、別の実施形態に従って修正された線量および／また劈開特性を用いて劈開面の形成を可能にすることができる。なおさらに、粒子は注入プロセスではなく拡散プロセスによって導入することができる。当然、他の変形形態、修正形態、および代替形態が存在し得る。それゆえ、上記の説明および説明図は、本発明の範囲を限定すると解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって画定される。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
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【図１７Ｆ】
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【図１７Ｇ】
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【図１８】
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【図１８Ａ】
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